等離子噴涂熱障涂層多層結(jié)構(gòu)的研究進展

杜文娟，彭旺生，林升垚，高 成,徐晉勇

(1. 桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西 桂林 514004；2. 桂林福達股份有限公司，廣西 桂林 541119)

0 前 言

熱障涂層是將高隔熱、低導(dǎo)熱、耐蝕耐磨的陶瓷材料涂覆在合金基體表面，提高合金基體表面對高熱負(fù)荷的耐受溫度，從而達到延長合金基體工作壽命的目的。當(dāng)前，熱障涂層系統(tǒng)(TBCs)早已應(yīng)用在航空航天發(fā)動機燃燒室和葉片等熱端部件，隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機高推重比(10以上)的發(fā)展，發(fā)動機的燃?xì)鉁囟群蜏u輪前進口溫度(TIT，1 600 ℃以上)在不斷提高。TBCs的應(yīng)用，可使合金溫度相對于朝向燃?xì)獾牟考砻娼禍馗哌_300 ℃，同時可減少空氣流量和燃料消耗，有利于簡化冷卻裝置，進一步提升渦輪機的設(shè)計[1-4]，有助于發(fā)動機向高效率、低污染的方向發(fā)展。

第4代氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯熱障涂層(YSZ)具有低的熱導(dǎo)率[2.1～2.3 W/(m·K)，1 000 ℃]，高的熱膨脹系數(shù)(CTE，8.0～10.4×10-6℃-1)，高的斷裂韌性(KIC，2～3 MPa·m1/2)，以及優(yōu)異的熱力學(xué)性能，是目前應(yīng)用最為廣泛的熱障涂層陶瓷層材料。但是由于長期處于1 200 ℃以上的工作環(huán)境中，YSZ涂層存在以下問題：(1)相變：產(chǎn)生體積膨脹，導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力集中，促使裂紋萌生、擴展；(2)燒結(jié)：導(dǎo)致涂層致密化、隔熱性能及抗熱震性能顯著下降；(3)燃料腐蝕和熱腐蝕：V、Na、S等腐蝕性物質(zhì)和CMAS[CMAS是指進入發(fā)動機的外來物中的主要成分(氧化鈣CaO、氧化鎂MgO、氧化鋁Al2O3和二氧化硅SiO2)]，易與穩(wěn)定劑Y2O3發(fā)生熱物理反應(yīng)，促使低釔的ZrO2相變加快；腐蝕產(chǎn)物的生成(如YVO4)會產(chǎn)生附加應(yīng)力，加速涂層的失效[5-9]。為了延長TBCs的使用壽命，近年來，開展了許多關(guān)于TBCs制備工藝、涂層組分優(yōu)化及涂層結(jié)構(gòu)的研究。

1 TBCs的制備技術(shù)

從熱障涂層技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用要求來看，大氣等離子噴涂(APS)和電子束物理氣相沉積(EB-PVD)是制備TBCs的2種主要工藝。APS工藝具有噴涂參數(shù)可調(diào)、工藝溫度寬泛、穩(wěn)定性好、沉積效率高和經(jīng)濟可行的優(yōu)勢[3,10-12]；APS-TBCs具有片層的堆積和水平微裂紋網(wǎng)絡(luò)的特點，孔隙率高，熱導(dǎo)率低，應(yīng)變順應(yīng)性較差，在熱循環(huán)中，通常因為應(yīng)力和腐蝕物的影響而導(dǎo)致涂層失效[12]。相比之下，EB-PVD利用電子束加熱使材料汽化，沉積到基體表面，形成單晶柱狀結(jié)構(gòu)涂層，具有更高的應(yīng)變?nèi)菹藓透玫目篃嵴鹦阅躘10,12,13]，且內(nèi)部無水平裂紋，涂層結(jié)構(gòu)致密，結(jié)合力強；然而，EB-PVD-TBCs熱導(dǎo)率較高，沉積效率較低，工藝復(fù)雜，成本高[10,12]。結(jié)合APS(微裂紋網(wǎng)格)和EB-PVD(柱狀晶)的工藝優(yōu)勢，已發(fā)展出有良好應(yīng)用前景的沉積工藝：懸浮液等離子噴涂(SPS)、溶液前驅(qū)體等離子噴涂(SPPS)和等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)技術(shù)。

1.1 懸浮液等離子噴涂技術(shù)

懸浮液等離子噴涂 (SPS)是一種改進的等離子噴涂技術(shù)，將亞微米或納米的氧化物顆粒分散到特定溶劑中，形成穩(wěn)定的懸浮液，送入等離子焰流以制備涂層。SPS可形成2種微觀結(jié)構(gòu)：垂直裂紋結(jié)構(gòu)和類柱狀晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用大功率、小距離噴涂高濃度懸浮液時，獲得的涂層結(jié)構(gòu)比較致密，有利于形成垂直裂紋；反之，當(dāng)采用小功率、大距離噴涂低濃度懸浮液時，獲得的涂層結(jié)構(gòu)較為疏松，有利于形成柱狀晶結(jié)構(gòu)[14,15]。Ganvir等[16]、Vanevery等[27]發(fā)現(xiàn)，動能高的液滴會產(chǎn)生法向沉積，利于制備垂直裂紋結(jié)構(gòu)；動能低的液滴，受“陰影”效應(yīng)影響，易沉積在有凸起的部位，可用于制備柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層。還有研究者指出，當(dāng)粉末的平均粒徑小于0.5 μm，懸浮液滴尺寸在1～5 μm時，有利于形成柱狀結(jié)構(gòu)[18]。探尋SPS涂層結(jié)構(gòu)的沉積機理有助于把控涂層微觀結(jié)構(gòu)，進行可控工藝研究；雖然近年來研究人員開展了眾多的理論和試驗研究，但其形成機理尚未被完全揭示。

相較于APS-TBCs，SPS-TBCs片層極薄，粒徑在納米或亞微米級別，涂層結(jié)構(gòu)扁平致密并均勻分布著大量微孔及垂直裂紋，熱導(dǎo)率低至0.6～0.8 W/(m·K)[4,19,20]；垂直裂紋的存在，提高了涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，增強了因燒結(jié)引起體積收縮的耐受性，使高彈性模量的SPS-TBCs抗熱震性能更為優(yōu)異，壽命更長。與APS-TC相比，SPS-TC的密度越大，斷裂韌性越高，抗燒結(jié)性能也就越好[13]。相較于EB-PVD-TBCs，SPS-TBCs涂層孔隙率明顯更高，具有更低的熱導(dǎo)率，且獲得類柱狀晶結(jié)構(gòu)的成本更低；通過改變類柱狀晶的涂層密度，可獲得基本接近于EB-PVD和PS-PVD制得的涂層微觀結(jié)構(gòu)[13,20]。盡管SPS-TBCs具有更好的熱力學(xué)性能和更長的熱循環(huán)壽命，但仍需進行更多的研究，尤其是在評估其長期耐久性方面。

1.2 溶液前驅(qū)體等離子噴涂

基于SPS，發(fā)展了溶液前驅(qū)體等離子噴涂技術(shù)(SPPS)，前驅(qū)體溶液有2種：特殊的氫氧化物溶膠有機溶液和所需陽離子氧化物的可溶性鹽配制成的水溶液[21]，前者的穩(wěn)定性較高[12,22]。SPPS工藝具有如下特征：(1)垂直裂紋結(jié)構(gòu)：貫穿整個涂層厚度，有利于緩解涂層中因CTE不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力；(2)與APS-TBCs相比，SPPS涂層結(jié)構(gòu)致密，均勻分布著大量尺度為0.5～1.0 μm的微小孔隙，熱導(dǎo)率極低[3,4]，平面內(nèi)斷裂韌性提高了5倍，熱循環(huán)耐久性優(yōu)異，且涂層循環(huán)耐久性不會因厚度的增加而降低[11,12,22]；(3)孔隙率的平面排列：IPB(層間邊界，inter pass boundary, IPB)結(jié)構(gòu)[12,22]，YSZ-IPB-TBCs熱導(dǎo)率可低至0.63 W/(m·K)，涂層韌性提高，相應(yīng)的耐久性和抗侵蝕性能提高[23]；(4)溶液可獲得亞穩(wěn)定相；研究發(fā)現(xiàn)，采用SPPS工藝可以在亞穩(wěn)定溶液中保持高達20%的氧化鋁，顯著提高涂層的CMAS電阻[24]?；谏鲜鰞?yōu)勢，采用SPPS工藝獲得高性能涂層，具有相當(dāng)廣闊的前景。然而SPPS工藝較為復(fù)雜，沉積效率較低，尤其噴涂參數(shù)的選擇對涂層性能的影響極大，工藝有待持續(xù)優(yōu)化改進。

1.3 等離子噴涂 - 物理氣相沉積

等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)技術(shù)是最新熱障涂層制備技術(shù)。采用低壓、大功率的等離子噴槍形成超音速等離子射流，可將原料熔融并汽化，是典型的氣-固-液三相復(fù)合沉積。PS-PVD技術(shù)可以通過改變噴涂參數(shù)實現(xiàn)對涂層組織結(jié)構(gòu)的可控沉積、大面積和復(fù)雜型面沉積，沉積效率高，工藝均勻致密，成本低[2,10,25]；涂層結(jié)構(gòu)兼俱優(yōu)異的抗高溫氧化性能、耐腐蝕性能、抗熱震性能、良好的應(yīng)變順應(yīng)性和較長的熱循環(huán)壽命[4,10,28]。

目前，PS-PVD-TBCs研究仍處于初級階段，其研究主要集中在YSZ涂層工藝參數(shù)和基材的物理性能這2個方面。Mauer小組研究了不同等離子體氣體成分的比值和溫度之間的關(guān)系，表明Ar/He混合等離子體氣體溫度遠高于Ar/H2混合等離子氣體溫度，加H2會使徑向溫度分布變寬，加He會導(dǎo)致晶體黏度提高及涂層厚度增加，說明He有利于涂層材料粉末的蒸發(fā)[26]。另外，通過改變功率密度、調(diào)節(jié)等離子氣體成分和粉末進料速度，均可調(diào)節(jié)粉末的蒸發(fā)程度[10,27]；隨著懸浮液固含量的增加，粉末顆粒尺寸呈非線性增大，固含量越高，粉末球形越規(guī)則，柱狀涂層厚度越厚，沉積效率也越高，但是粉末粒徑的Hausner比應(yīng)小于1.25，這樣粉末的流動性會更好[27,28]。Aygun等[25]的研究結(jié)果表明，當(dāng)噴涂功率為12 kW、噴涂距離為900 mm、送粉率為20 g/min時，可獲得良好的準(zhǔn)柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層，同時具有較高的沉積速率，在1 100 ℃時，熱導(dǎo)率僅為0.934 W/(m·K)?？傊?，有關(guān)PS-PVD沉積工藝還需要系統(tǒng)地研究。目前該技術(shù)正在逐漸普及，并將在未來發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

2 單層YSZ改性研究

經(jīng)第一性原理和試驗證實，將多元稀土氧化物共摻雜氧化鋯可以進一步降低涂層熱導(dǎo)率，提高高溫相穩(wěn)定性和耐熱腐蝕性能，此種涂層可以代替YSZ涂層。白宇等[29]采用新型超音速懸浮液等離子噴涂(SSPS)制備了Sc2O3-Y2O3-ZrO2-TBCs(ScYSZ),涂層結(jié)構(gòu)致密，在1 500 ℃的高溫下放置200 h后仍保持100%四方t相，熱導(dǎo)率為2.05～2.32 W/(m·K)，較相同條件下YSZ低約20%～28%；在1 300 ℃時，熱循環(huán)壽命高達914次，為YSZ-TBCs壽命的2.6倍。Sc元素與Na2SO4/NaVO3熔鹽反應(yīng)性非常弱，稀土氧鍵強度增強，抑制了釩酸鹽的滲透，穩(wěn)定了ZrO2相結(jié)構(gòu)[30]。ZrO2-Ta2O3-Y2O3-TBCs在1 500 ℃時仍可保持單一t相，熱導(dǎo)率為2.12～2.35 W/(m·K)[31]；在Na2SO4+V2O5的環(huán)境中，高溫下Ta+與Y+生成高穩(wěn)定相YTaO4，其固溶度遠大于Ta+和Y+，大大降低了Y2O3與NaVO3/V2O5反應(yīng)的可能性，加之Ta2O3的酸性更強，優(yōu)先與堿性NaVO3反應(yīng)，確保了的Y2O3穩(wěn)定作用[30]；另外復(fù)合添加Ln2O3(Ln=Nd/Gd/Sm)氧化物，可使其熱導(dǎo)率低至1.4～2.1 W/(m·K)，同時提高燒結(jié)電阻[32,33]。徐娜等[34]采用APS制備了5.35%Gd2O3-5.67%Yb2O3-9.55%Y2O3-ZrO2(GdYbYSZ)涂層，在1 400 ℃×144 h的燒結(jié)條件下仍保持單一立方c相，其熱導(dǎo)率：在1 000 ℃時，為0.705 W/(m·K)，在1 400 ℃時，僅為0.949 W/(m·K)；由于Yb2O3的酸性更強，Gd2O3和Y2O3優(yōu)先與Na2SO4+V2O5熔鹽反應(yīng)，Yb2O3的穩(wěn)定作用幾乎不受影響[30]。陳東等[35]制備的APS-Yb2O3-Gd2O3-Yb2O3-YSZ涂層，在高溫下保持穩(wěn)定的t/c相結(jié)構(gòu)，隔熱效果高達175 ℃，較同條件下8YSZ提高了18%。在YSZ中摻雜CeO2，APS-CYSZ涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，t相穩(wěn)定，隔熱性能較7YSZ提高幅度高達52%[36]；然而CeO2與釩酸鹽會產(chǎn)生礦化作用，對涂層影響較大[30]。

多元稀土氧化物摻雜氧化鋯將成為TBCs改性的主流趨勢，有必要深入研究摻雜劑對YSZ性能的影響。

3 TBCs多層結(jié)構(gòu)性能研究

開發(fā)雙陶瓷層/多陶瓷層(DCL/MCL)和功能梯度涂層(FGC)，是解決YSZ相變問題、有效提高TBCs耐久性的一種新興方法。多層結(jié)構(gòu)是將具有低熱導(dǎo)率、優(yōu)異的耐腐蝕性能和高溫相穩(wěn)定性的材料放至頂層，將具有高KIC、高CTE的材料作為中間層，以制備高性能的多層TBCs。采用梯度結(jié)構(gòu)的熱障涂層，在涂層厚度方向，可實現(xiàn)涂層的組元結(jié)構(gòu)、線膨脹系數(shù)和熱力學(xué)性能的連續(xù)梯度過渡，緩和材料間的界面應(yīng)力，降低燒結(jié)速率和彈性模量的增量，具有比雙層更好的應(yīng)變耐受性和抗熱震性能，涂層工作壽命明顯延長[2,4,7]。但是，梯度結(jié)構(gòu)制備困難、重復(fù)性差，而且不適合CTE很大的材料，從而限制了該結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

在新型熱障涂層陶瓷材料的研究中，A2B2O7型陶瓷材料是一種非常有潛力的TBCs候選材料，如燒綠石結(jié)構(gòu)La2Zr2O7、Gd2Zr2O7、Nd2Zr2O7、Sm2Zr2O7和螢石結(jié)構(gòu)La2Hf2O7、La2Ce2O7；將這類陶瓷材料與YSZ組合所形成的多層結(jié)構(gòu)，已成為一個新興系統(tǒng)。

3.1 Gd2Zr2O7/YSZ多層結(jié)構(gòu)TBCs體系

鋯酸軋(Gd2Zr2O7，GZO)，燒綠石結(jié)構(gòu)鋯酸鹽的代表性材料，具有低的熱導(dǎo)率：在700～1 000 ℃之間為1.2～1.7 W/(m·K)，優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性、低透氧率、低燒結(jié)率、良好抗輻射性和耐化學(xué)性；在1 550 ℃左右時，GZO發(fā)生了從無序的螢石結(jié)構(gòu)向有序的燒綠石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，未出現(xiàn)體積膨脹，立方相保持不變[4,12,8]；其局限性在于較低的KIC(0.8～1.0 MPa·m1/2)和CTE[(8～9)×10-6K-1]，以及與TGO(熱生長氧化物)的化學(xué)不相容性[4,8,37,38]，導(dǎo)致單層GZO的熱循環(huán)壽命較 YSZ短。

雙層/多層/功能梯度結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以彌補單層GZO的較多缺點。有研究者們[8,19,37,38]研究了單層YSZ、GZO和雙層GZ/YSZ在1 000 ℃的氧化和TGO生長行為；GZO在高溫下呈現(xiàn)螢石相的晶體結(jié)構(gòu)，氧空位的缺陷為雙層涂層提供了較低的透氧率，提高了涂層的抗氧化性；YSZ具有高的KIC和CTE,可提高雙層抗誘導(dǎo)應(yīng)力強度，同時解決了GZO與TGO熱化學(xué)不相容的問題[8]；在3種涂層中，GZ/YSZ-TBCs性能最優(yōu)，壽命最長，但是GZ/YSZ中TGO的厚度最高，是雙層損傷的主要原因[38]。在壽命高于常規(guī)涂層的納米結(jié)構(gòu)涂層中，n-GZ/YSZ氧化壽命更是n-GZO的3.2倍[37]。還有研究表明，多孔GZ/YSZ-TBCs的熱循環(huán)壽命長于多孔致密的YSZ-TBCs和致密GZ/YSZ-TBCs，且多孔結(jié)構(gòu)顯示出更低的腐蝕速率[39]。此外，SPS-GZ/YSZ-TBCs具有更高的熱循環(huán)壽命和更低的熱導(dǎo)率，在1 000 ℃時，熱導(dǎo)率僅為1.1 W/(m·K)，但是熱導(dǎo)率會隨著溫度的升高而增加[19]。Mahade等[40]還制備了SPPS-GZ/YSZ涂層，其中GZO層具有垂直裂紋組織的致密結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率為僅為0.63 W/(m·K)；在周期性CMAS 試驗中，SPPS-GZ/YSZ表現(xiàn)出比APS-GZ/YSZ更優(yōu)異的抗熱腐蝕性能。Carpio等[41]采用APS制備了GZ/YSZ雙層和功能梯度涂層，在不同的熱處理條件下對比發(fā)現(xiàn)，DCL-GZ/YSZ熱疲勞抗性差，主要是由CTE的差異引起的熱應(yīng)力所致；FGC-GZ/YSZ利用了Gd2Zr2O7的特性，成分的梯度變化使得熱應(yīng)力和微裂紋形成均勻分布，表現(xiàn)出良好的抗熱疲勞性能，F(xiàn)GC結(jié)構(gòu)顯示出更低的熱導(dǎo)率和更高的熱循環(huán)壽命。

在耐腐蝕方面，Gd2Zr2O7在CMAS的環(huán)境下，形成磷灰石層[Ca2Gd8(SiO4)6O2]，可有效阻止CMAS對涂層的熱腐蝕[4,8,40]；在V2O5+Na2SO4的環(huán)境中，GZO與YSZ的腐蝕機理相似，與熔鹽反應(yīng)生成GdVO4和 YVO4，但是GdVO4穩(wěn)定性更好，且釓與熔鹽反應(yīng)性極低；這為Gd2Zr2O7提供了更好的耐蝕性[42]。當(dāng)GZ/YSZ-TBCs遇到V2O5時，GZO表面會形成連續(xù)致密的反應(yīng)層，當(dāng)溫度低于700 ℃時，反應(yīng)層由GdVO4和ZrV2O7組成，在高溫下，反應(yīng)層由GdVO4和 m-ZrO2組成，且反應(yīng)層厚度隨溫度和加熱時間的變化變化不大，雙層可有效阻擋有害熔鹽的腐蝕[43]；而三層體系的密封層對于改善抗腐蝕性能是無效的，因為密封層減少了腐蝕性熔鹽的滲透通道，導(dǎo)致熔鹽從邊緣溢出，反而會造成相對較大的危害[42,44]。

3.2 La2Zr2O7/YSZ多層結(jié)構(gòu)TBCs體系

鋯酸鑭(La2Zr2O7，LZO)，具有較低的透氧率、優(yōu)異的高溫相穩(wěn)定性、較高的耐蝕性和抗燒結(jié)性能，其燒綠石的晶體結(jié)構(gòu)，確保了更低的熱導(dǎo)率，在1 000 ℃時，僅為1.5～1.8 W/(m·K)，同Gd2Zr2O7均是YSZ優(yōu)良的替代材料。較低的CTE(9.1～9.7×10-6K-1)和KIC(1.1 MPa·m1/2)是單層LZO失效的關(guān)鍵[45-47]； 1 200～1 450 ℃的熱循環(huán)試驗表明，單層LZO抗熱震性能較差，熱循環(huán)壽命較YSZ短[48]。La2Zr2O7材料還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其原理同Gd2Zr2O7相同[9,47,49]。

為了充分發(fā)揮La2Zr2O7材料的性能優(yōu)勢，改善涂層結(jié)構(gòu)性能，在940～1 300 ℃下，對LZ/YSZ-TBCs和YSZ-TBCs進行了梯度熱循環(huán)試驗。結(jié)果表明，DCL涂層整體的使用壽命相較于單層YSZ提高了2倍；雙層結(jié)構(gòu)有效降低了殘余應(yīng)力，抗熱震性能增強；隔熱效果增強，燒結(jié)速率下降了30%[46,49,50,51]；在1 100 ℃×100 h燒結(jié)條件下，LZ/YSZ和YSZ的TGO生長速率常數(shù)K-p分別為5.79×10-2，6.26×10-2m2/h，TGO厚度分別為3.75 μm和5.50 μm，即LZ/YSZ雙層結(jié)構(gòu)抗氧化性能更為優(yōu)異[52]。Bobzin等[53]還對比了7YSZ和LZO組成的4層結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其抗熱震性能反而較7YSZ差，熱循環(huán)行為并沒有改善；雙層LZ/YSZ-TBCs仍具有最長的熱循環(huán)壽命。一些研究人員[46,54]還采用納米結(jié)構(gòu)來改善LZO的性能，研究結(jié)果如下：n-LZ/8YSZ隔熱效果：較n-8YSZ提高了35%，較8YSZ提高了70%以上；在1 200 ℃，雙層n-LZ/8YSZ抗熱沖擊次數(shù)幾乎是n-8YSZ的2倍，遠高于8YSZ涂層；在1 200 ℃下，氧化失效時間：8YSZ為175 h，n-8YSZ為225 h，n-LZ/8YSZ在400 h后氧化增重仍舊不明顯。其中，采用SPS制備的單雙層納米結(jié)構(gòu)LZO熱導(dǎo)率最低，≤0.73 W/(m·K)，n-LZ/8YSZ具有更優(yōu)異的隔熱、抗熱震和抗高溫氧化性能[46,48]。此外， Chen等[55]設(shè)計了6層LZ/YSZ雙組分梯度涂層，具有與LZO相似的熱導(dǎo)率和幾乎等同于YSZ的熱膨脹系數(shù)，其抗熱震性比傳統(tǒng)的DCL-LZ/YSZ體系要好得多。Naga等[47]設(shè)計的YSZ-LZO(75∶25)梯度TBCs，在Na2SO4+V2O5熔鹽環(huán)境下，在900 ℃×50 h的條件下熱處理后，表現(xiàn)出較高的抵抗能力，在熱循環(huán)環(huán)境下表現(xiàn)出更好的壽命性能。

LZ/YSZ-DCL-TBCs的失效主要是由于LZO中產(chǎn)生的層狀裂紋所導(dǎo)致的逐層脫落，TGO的生長和CTE失配所產(chǎn)生的應(yīng)力為主要原因。微裂紋沿著涂層中阻力比較小的地方逐層擴展，裂紋數(shù)量隨著YSZ和LZO涂層厚度比的增加而增多[48]；且YSZ層越厚，LZ層越薄，DCL-TBCs抗熱震性能越高[46]。頂層LZO有助于減緩YSZ的燒結(jié)，通過改善多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷層，可提高燒結(jié)阻力。Guo等[51]在LZO中添加YSZ纖維(Y)/碳納米管(C)來改善LZ/YSZ-TBCs的性能，結(jié)果表明：LZ-Y/YSZ-TBCs具有最低的熱導(dǎo)率，在1 000 ℃時僅為0.92 W/(m·K)，其結(jié)合強度是原LZ/YSZ-TBCs的1.84倍；LZ-C/YSZ則具有最高的斷裂韌性，為(1.125±0.070) MPa·m1/2，熱循環(huán)壽命較LZ/YSZ-TBCs提高了29%。

3.3 La2Ce2O7/YSZ多層結(jié)構(gòu)TBCs體系

鈰酸鑭(La2Ce2O7，LCO)具有螢石結(jié)構(gòu)，在1 200 ℃時，熱導(dǎo)率低至0.7 W/(m·K)，熱穩(wěn)定性高達1 673 K，有比YSZ更大的熱膨脹系數(shù)，為12.23×10-6/K，LCO是為數(shù)不多的單層性能與YSZ相似的材料之一[56,57]。在1 250 ℃熱處理后，LCO與CMAS之間反應(yīng)生成Ca2(LaxCe1-x)8(SiO4)6O6-4x(棒狀相)、CeO2(球狀相)、CaAl2Si2O8和MgAl2O4的結(jié)晶反應(yīng)層，可有效阻止CMAS滲入涂層[56,58],具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。然而，LCO較低的KIC、與TGO的化學(xué)不相容性以及低溫下(<500 ℃)CTE的急劇降低都會導(dǎo)致LCO涂層的過早失效，影響工作壽命。因此，為了克服這些障礙，人們提出了多層TBCs體系。

在LCO和TGO之間插入一層YSZ惰性層，解決了LCO與TGO(Al2O3)的熱化學(xué)不相容和熱失配問題；LC/YSZ的隔熱性能隨著LCO層厚度的增加而提高；當(dāng)LCO厚度增加時，LCO層的最大能量釋放速率增大，YSZ能量釋放速率則減小，當(dāng)LCO和8YSZ層的厚度比保持在1:1時，熱障涂層整體具有最高的抗熱震性能[57]；同時LC/YSZ-TBCs也顯示出比LC-TBCs和YSZ-TBCs更長的熱循環(huán)壽命。LC/YSZ雙層的失效主要是LC涂層表面在熱循環(huán)過程中的燒結(jié)所致，TGO的生長導(dǎo)致YSZ層裂，加速涂層分層[59]。Kang等[56]制備了LC-50mol%YSZ /YSZ復(fù)合涂層，YSZ的添加提高了LC的斷裂韌性，抑制了CTE的突然下降，在1 200 ℃時，熱導(dǎo)率為0.92 W/(m·K)，同YSZ、 LC/YSZ相比，復(fù)合涂層的熱循環(huán)壽命分別提高了93%、91%；且復(fù)合涂層中的TGO厚度最小，其隔熱性能更為優(yōu)異。還有研究[60]制備了LC/YSZ梯度涂層，斷裂韌性沿涂層厚度方向由(0.41±0.11) MPa·m1/2線性增加到(2.15±0.21) MPa·m1/2，由于應(yīng)力分布的分散性和斷裂韌性的提高，其熱循環(huán)性能較雙層結(jié)構(gòu)涂層有了很大的改善。

4 結(jié)語與展望

TBCs系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性使其研究成為一項耗時的任務(wù)。目前，傳統(tǒng)陶瓷層材料已無法滿足新一代超高TIT發(fā)動機的要求，為滿足要求應(yīng)致力于開發(fā)新型陶瓷材料和涂層改性技術(shù)。此外，充分利用不同陶瓷材料的物理和熱力學(xué)性能優(yōu)勢，制備多層多功能型復(fù)合涂層，如雙層結(jié)構(gòu)和功能梯度結(jié)構(gòu)，無疑是較有前景的研究方法之一。SPS、SPPS和PS-PVD技術(shù)彌補了傳統(tǒng)APS和EB-PVD的缺陷，各自都有著廣闊的發(fā)展前景，但如何利用現(xiàn)有基礎(chǔ)改進制備工藝，制備高性能多層/功能梯度涂層，并將其應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，仍然面臨著相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。