涡轮叶片作为航空发动机的关键组成部分，对材料的强度和耐高温性能有着极高的要求。目前，涡前最高进气温度已经超过1650 ℃，传统镍基高 温合金已达温度极限，无法满足使用要求。20世纪50年代，美国航空航天局率先提出了热障涂层的概念。热障涂层是一种具备特殊隔热性能的涂层，通过隔热作用有效降低金属材料受热损伤的程度，使金属材料在高温环境下持续工作。传统的热障涂层包含黏结层、热增长氧化层和陶瓷层3 层结构：黏结层作为过渡层，主要作用是缓解金属基体材料与陶瓷层材料因热力学性能相差过大而产生的热失配问题，常采用MCrAlY合金（其中M为铁、钴、镍或 NiCo）材料；热增长氧化层是黏结层中的铝元素在高温下发生扩散氧化而形成的以Al2O3为主要成分的中间层；陶瓷层最为关键，为金属基体材料提供过热保护，需要具有良好的高温化学稳定性和热/力学性能。

 

目前，热障涂层的陶瓷层材料主要包括ZrO2基陶瓷、稀土锆酸盐、稀土铝酸盐、稀土钽酸盐、稀土铌酸盐、钙钛矿等，这些陶瓷材料因晶体结构不同而表现出不同的热/力学性能。随着发动机工作温度的不断升高，热障涂层陶瓷层材料在热导率、热膨胀系数和断裂韧度等维度面临着更严苛的要求。在此背景下，各种稀土掺杂的陶瓷材料以及高熵陶瓷材料因具有低热导率而得到了关注，但这些材料同时存在断裂韧性较低的问题。为了明确不同热障涂层陶瓷层材料的优势和局限性，给相关领域研究人员在特定应用场景下选材提供参考，同时为材料性能 的提升提供方向，作者综述了热障涂层陶瓷层材料的微观结构及性能提升研究进展，总结和对比了其制备方法，指出了热障涂层陶瓷层未来研究方向。

 

1    热障涂层陶瓷层材料

1.1    ZrO2基陶瓷

ZrO2基陶瓷是应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料，其熔点高达2680℃，具有与高温合金基体相近的热力学性能以及高断裂韧性和良好耐冲蚀性，广泛应用于燃气涡轮发动机的叶片和燃烧室内高温镍基合金部件上。ZrO2随温度升高依次发生如下相变：当温度高于1170℃时单斜相（m-ZrO2）发生相 转变形成四方相（t-ZrO2），当温度升高至2370℃时，四方相转变为立方相（c-ZrO2）。单斜相向四方相转 变时发生体积收缩（总幅度约为4%），反之体积膨胀。体积的变化会引发内应力，导致裂纹萌生，最终使涂层开裂和剥落。

通过掺杂不同半径或价态的阳离子使ZrO2晶格发生畸变或在ZrO2晶格中引入氧空位，可以增强ZrO2的稳定性，防止相变的发生，同时还可以改善其热/力学性能，延长服役寿命。阳离子通常 以化合物的形式引入ZrO2中，这些化合物被称为稳定剂。常用的稳定剂包括MgO、Y2O3和CeO2等，其中应用最广的是Y2O3。在ZrO2中固溶Y2O3后，Y3+置换Zr4+会因尺寸差异导致ZrO2晶格畸变，从 而改变ZrO2的相变温度和相变行为，同时还会产生氧空位，使得高温四方相可以保留到室温。Y2O3稳定ZrO2（YSZ）陶瓷是目前应用最广泛的热障涂层陶瓷层材料，具有优异化学稳定性、高熔点、高孔隙率和低热导率，表现出良好的高温隔热性能，厚度在0.2~0.4mm便能使金属部件表面温度降低100~150℃。但是，高温喷涂的快速冷却过程会使YSZ陶瓷中产生非平衡四方相（t'-ZrO2），当温度超过1200℃时，t'-ZrO2会向c-ZrO2和m-ZrO2转变，伴随着体积变化而引发裂纹。这些裂纹不仅会削弱涂层的隔热性能，还会为氧气和高温熔融的腐蚀物提供渗透路径，加剧涂层内部的腐蚀。此外，温度超过1400℃时YSZ陶瓷会进一步烧结致密，导致孔隙率降低，声子散射作用减弱以及热导率提高，最终导致涂层的隔热性能降低因此，YSZ陶瓷的使用温度一般在1200℃以下。但是目前，航空发动机涡轮叶片的温度高达1700℃，YSZ陶瓷无法满足该服役要求，需要进一步进行改性处理。

研究发现，将Gd2O3、CeO2等稀土氧化物添加到YSZ陶瓷中，可以有效抑制c-ZrO2或t-ZrO2向m-ZrO2的相转变，提高YSZ陶瓷涂层的相稳定性。这主要是因为稀土元素的离子半径与Zr4+半径 不同，这种差异会引起晶格畸变，增加ZrO2相变需要的能量，从而抑制或减缓其相变。同时，晶格畸变会干扰声子的传播，导致声子散射增加，而声子是热能的主要载体，因此热导率降低。AHMADI-PIDANI等制备了具有四方相的25%CeO2-2.5%Y2O3-ZrO2（质量分数）陶瓷涂层，发现掺杂CeO2不仅提高了涂层的稳定性，还延长了其寿命。WANG等采用大气等离子喷涂法制备了2%Gd2O3-4.5%Y2O3-ZrO2（物质的量分数）陶瓷涂层，该涂层在室温下的热导率为1.042W· m-1·K-1，在900℃时降至0.894W·m-1·K-1。这是因为Gd2O3稀土氧化物具有弱共价键，温度升高时这种弱共价键的存在使 得晶格振动减弱，从而使热导率变小。王鹏程等指出，半径较大的稀土元素会引起更大的晶格畸变， 且晶格畸变程度随稀土氧化物掺杂量的增加先增大 后趋于稳定。添加与锆原子存在较大质量差和离子半径差的元素能够增大ZrO2晶格振动的非谐性，从而提高声子散射率，降低热导率。王森源等通过引入比锆原子质量和离子半径更大的钆和镱，显著提高了声子散射率，制备的5Gd2O3-6Yb2O3 -10YSZ（质量分数/%）陶瓷材料在1000℃时的热导率达到1.51 W · m-1 ·K-1，当温度升至1200℃时热膨胀系数为11.25×10-6K-1，在1500℃以下未发生相变，在1600℃时仍能保持稳定的高温立方相，表现出良好的高温稳定性。SHEN等研究发现，掺杂稀土元素铒提高了声子散射率，同时引发了晶格畸变，在这两种因素的共同作用下，4%Y-4%Er-ZrO2（物质的量分数）陶瓷涂层在1200 ℃时的热导率比YSZ陶瓷涂层约低40%。RAUF等研究发现，掺杂镧元素制备的YSZ陶瓷涂层呈纳米四方相结构，未发现m-ZrO2和La2O3相的存在，该涂层在900℃时的热导率为0.839 W·m-1·K-1。低热导率的获得主要归因于稀土镧元素掺杂和纳米结构引起的晶界散射，这一发现为改进热障涂层的性能提供了新的研究思路。相较于单一稀土氧化物，添加两种或更多的稀土氧化物可以进一步降低热导率。WEI等向YSZ 陶瓷中同时添加CeO2和Sc2O3稀土氧化物，所得材料在1000℃时的热导率相比YSZ陶瓷降低约23%。这主要是因为引入多种稀土元素产生了更加复杂的多重晶格畸变，导致晶格的热振动频率进一步降低。

综上，掺杂稀土元素能够抑制ZrO2相变，提高相稳定性，降低热导率，提升高温稳定性，但存在高温下易萌生裂纹、烧结后会降低隔热性能等不足。目前，关于稀土掺杂对ZrO2基陶瓷热膨胀系数和断裂韧性等影响的研究仍然较少。

1.2    镧系稀土锆酸盐

镧系稀土锆酸盐RE2Zr2O7（RE为稀土元素）是一种A2B2O7型化合物，当RE为镧、铈、镨、钐时，其与锆离子的半径比值在1.46~1.78，RE2Zr2O7形成烧绿石结构，当RE为铽、镝、钬、铒、铥、镱 时，离子半径比值小于1.46，形成缺陷萤石结构。烧绿石结构和缺陷萤石结构均属于高度复杂的晶体结构，均存在高浓度的氧空位以及较重的稀土离子，能有效降低氧离子的迁移阻力，增强声子散射，从而降低材料的热导率。但是，烧绿石结构的氧空位有序地位于8a位置，有序化程度高，而缺陷萤石结构氧 空位则是随机分布的，有序化程度相对低。谢敏等研究发现，Sm2Zr2O7在700℃时的热导率仅为1.5W·m-1·K-1，同时其相稳定性良好，即使在2000℃高温下仍保持稳定的烧绿石结构，抗高温烧结性能优异。在镧系元素位和锆位进行多种稀土元素掺杂可以进一步降低稀土锆酸盐的热导率，例如：在La2Zr2O7中掺杂质量分数为30%的钆可以将热导率降至0.9W·m-1· K-1；在Sm2Zr2O7中掺杂物质的量分数为17%~33%的镱，该化合物会从烧 绿石结构向缺陷萤石结构转变，热导率进一步降低。La2Zr2O7在室温至熔点的温度范围内都能稳定保持烧绿石结构，高温稳定性能优异。具有烧绿石结构的稀土锆酸盐的热膨胀系数偏低，与黏结层的适配性差，断裂韧性低于Y2O3质量分数为8%的YSZ （8YSZ）陶瓷，且高温热循环寿命短。改善稀土锆酸盐的力学性能以提高其结合强度和使用寿命将是未来的研究方向。

1.3    稀土铝酸盐

当RE为镧、钆、铕、镥、钕、铽、铒、镝等时，稀土铝酸盐RE4Al2O9具有熔点高、热导率低、力学性能良好等特点。在RE4Al2O9晶体结构中，铝原子与氧原子结合形成AlO4四面体结构，稀土原子则与氧原子形成八面体或十面体结构。RE—O多面体结构的刚性相对较弱，导致散射声子量增加，声子平均自由程减小，从而降低了热导率。此外，RE4Al2O9复杂的晶体结构和成键方式导致其结构混乱度增大，进一步提高了声子在传输过程的散射难度，从而降低了热导率。研究发现，Yb4Al2O9和Y4Al2O9在不同温度下的最小热导率分别为0.78，1.13W·m-1·K-1，热膨胀系数分别为6.27×10-6，7.51×10-6K-1。在1377℃时Yb4Al2O9单斜相会发生结构相变，当其中的稀土元素替换为钆、镝时也会发生类似的相变，但转变温度更低。若涂层的服役温度区间包含相变温度点，那么由高温相变引起的体积变化会导致涂层开裂失效。因此，提高RE4Al2O9的高温相稳定性将是重要的研究方向。

磁铅石型稀土铝酸盐REMAl11O19（RE为钆、 镧、铈、钕、钐；M 为镁、锰、钴、镍）呈现出六方相与立方相混合的结构形式，物理性能也呈现各向异性，在不超过1400℃的温度下可以长期保持稳定，不发生相变。LaMgAl11O19化合物在2000℃高温下无相变发生，表现出优异的高温稳定性，这是因为La3+占据了密排六方结构的氧原子位置，产生的空穴量极少，从而有效抑制了氧离子的扩散。当温度超过1100℃时，LaMgAl11O19 的抗烧结能力更强，热导率也比YSZ陶瓷更低，具有更广阔的应用前景。ZHANG等研究发现，REMgAl11O19（其中RE为镧、钐、钕和钆）的抗热震性能普遍强于8YSZ陶瓷，并且随着孔隙率提高进一步增强。WANG等在LaMgAl11O19中掺杂不同含量的钕制备了La1 —xNdxMgAl11O19（x=0，0.1，0.2，物质的 量分数/%），在室温到1200℃范围内，其热导率介 于2.62~3.87 W · m-1 ·K-1，当x=0.2时在1200℃下的热膨胀系数提高到8.58×10-6K-1。

综上所述，相较于RE4Al2O9，磁铅石型稀土铝酸盐REMAl11O19具有更优异的相稳定性以及更强 的抗热震能力，但是其热导率相对较高，热膨胀系数低于YSZ陶瓷材料。未来应聚焦于研究具有低热导率、较高热膨胀系数和优异高温相稳定性的稀土铝酸盐。

1.4    稀土钽酸盐

稀土钽酸盐常见的形式有RETaO4和RETa3O9。 RETaO4（RE为钇、钪和镧系元素）的热导率约为1.0W·m-1·K-1，热膨胀系数在1200℃时约为11×10-6K-1，力学性能优异，近年来作为热障涂层陶瓷层材料得到广泛研究，稳定使用温度可达1800℃。RETaO4内部具有铁弹畴结构，在由高温四方相转化成低温铁弹单斜相时相邻晶粒会发生一 定角度的转动，使得低温铁弹单斜相的方向各异，在外力的作用下这些铁弹畴的取向会再次变化。这种畴结构演变使得材料在相变时能够通过畴壁运动和畴转向来调节内部应力场。在高温相变过程中，内部应力发生重新分布，有助于吸收和耗散能量，因此RETaO4在高温下表现出良好的断裂韧性，有望成为下一代热障涂层陶瓷层材料。

RETaO4具有非氧离子缺陷型特征，在纯净的RETaO4陶瓷中，热导率受点缺陷散射的影响可以忽略。当晶粒尺寸和声子平均自由程尺寸相近时，界散射对声子平均自由程的影响才会显著。RETaO4的晶粒尺寸（主要在微米尺度）远大于声子平均自由程，因此晶界散射对热导率的影响可以忽略。本征声子散射是导致RETaO4低热导率的主要原因，这归因于晶格非简谐振动，这种振动对温度的依赖程度非常明显。随着温度的升高，非简谐振动变得更加剧烈，声子间的散射效应增强，因此RETaO4的热导率进一步降低。

RETaO4的非氧离子缺陷特征使得其具有优良的阻氧能力，能够有效地保护金属黏结层免受氧化，从而延长涂层寿命。YTaO4陶瓷在经历（1426±7）℃以上的高温时，会出现四方相和单斜相转变，这种转变是铁弹相变，不会发生因相变导致体积差异过大而引发的涂层失效问题。宗若菲等研究发现，高温下RETaO4（RE 为钕、铕、钆、镱、镥、铒、镝）的热导率明显低于YSZ陶瓷，这主要归因于稀土离子的掺杂导致晶格发生畸变，显著增强了声子散射，并加剧了晶格振动的非简谐性。

RETa3O9也是一种常见的稀土钽酸盐形式，其中RE常选择镧系元素。研究发现，LaTa3O9在温度超过1000K时的热导率与Y2O3质量分数为7%的YSZ（7YSZ）陶瓷相近，这是因为高温下的热导率主要由本征散射主导。LaTa3O9的热膨胀系数明显低于7YSZ陶瓷，尤其在1200K下，其热膨胀系数（3.93×10-6K-1）比7YSZ陶瓷（11.04×10-6K-1） 低50%，而7YSZ陶瓷与黏结层能较好适配，这意味着若选择LaTa3O9作为陶瓷层材料，会与黏结层产生较大的热失配应力。NdTa3O9和GdTa3O9的热导率均低于LaTa3O9，这与TaO6的八面体结构波动有关。NdTa3O9的热膨胀系数在温度高于800K时变化明显，GdTa3O9变化不明显，但GdTa3O9具有与NdTa3O9相似的结构，在温度高于1000K时可能发生与NdTa3O9类似的相变，导致热膨胀系数变化明显。YbTa3O9的热导率比LaTa3O9降低 了约40% ，热膨胀系数与GdTa3O9相近，推测是镱抑制了TaO6的结构波动，使得晶界散射在热传导过程中占据了主导地位。

稀土钽酸盐的热导率低于YSZ陶瓷，而多组元稀土钽酸盐的热导率明显低于单组元稀土钽酸盐。通过深入研究多元稀土钽酸盐，有望开发出更低热导率的陶瓷材料，但稀土钽酸盐的断裂韧性低等问题也需要进一步研究。

1.5    稀土铌酸盐

稀土铌酸盐因其价格较钽酸盐更低而受到广泛关注。常用于热障涂层陶瓷层的稀土铌酸盐主要有RENbO4和RE3NbO7两种形式。RE3NbO7的晶体结构与稀土元素离子半径相关：当稀土元素为离子半径较小的镝、钬、铒、铥、镱、镥和钇时，陶瓷呈无序的立方萤石结构；当稀土元素为离子半径较大的钐、 铕、钆时，陶瓷呈有序的正交韦伯石型结构，氧离子占据着一定的维科夫位置。氧空位浓度较高会产生较强的声子散射，从而降低陶瓷材料的热导率。通过提高结构的无序性，如引入点缺陷（即引入3~5种替代原子）等可以将热导率降到理论最小值，但同时也增加了制备热障涂层时确定材料配比的难度。此外，RE3NbO7（RE 为镝、钇、铒、镱）的断裂韧度低于YSZ陶瓷，约为1.0 MPa·m1/2，作为陶瓷层材料使用时，其力学性能的持续改进是未来的研究方向之一。

化学式为RENbO4（RE为镧系元素）的陶瓷材料具有镁锌矿型单斜相和白钨矿型四方相两种晶体结构，均由REO8十二面体和NbO4四面体组成，晶格畸变程度由多面体中RE离子与氧离子的距离以及铌离子与氧离子的距离之比来表示；随着RE离子半径的增大，晶格畸变程度增大，导致缺 陷散射增加，热导率降低。张奕雄等研究发现， （La0.2Ho0.2Er0.2Y0.2Yb0.2）NbO4单相单斜结构高熵陶瓷在相变温度为686 ℃ 时的热膨胀系数为11.19× 10-6 K-1，高于单相YNbO4在相变温度为829℃时的热膨胀 系 数（10.60×10-6K-1），在100 ℃时的热导率为2.34W·m-1·K-1，低于单相YNbO4 （3.12W·m-1·K-1），当温度超过700℃时高温热辐 射导致高熵铌酸盐的热导率增加。RENbO4的热膨胀系数在由单斜相向四方相转化时达到最大，这是因为相变导致的晶体结构变化相较于稀土元素掺杂导致的晶格畸变更有利于提高热膨胀系数。在热膨胀系数出现突变的温度附近，RENbO4会发生可逆的铁弹相变，在这种相变过程中体积不发生变化，不会产生额外应力。RENbO4（RE为钕、钐、钆、镝、铒和镱）具有铁弹性特性，其内部的畴结构能够吸收裂纹扩展中的能量，从而提高断裂韧性。RENbO4的断裂韧度高于多数热障涂层陶瓷层材料，但低于通过相变抑制裂纹扩展和细化晶粒增加晶界来提高断裂韧性的YSZ陶瓷材料。

除了稀土铌酸盐外，其他结构形式的铌酸盐也具有一定研究价值。李柏辉等研究发现，ANb2O6（A为钙、镁、钴、镍）结构的铌酸盐表面晶粒大小均匀，晶界间有微小间隙，间隙的存在有利于热导率的降低，在1200℃时该铌酸盐的热导率最小值为1.59W·m-1· K-1，此时热膨胀系数的最大值为9.1×10-6K-1，弹性模量在100~180GPa，低于YSZ陶瓷。铌酸盐具有低热导率以及与金属黏结层相近的热膨胀系数，同时力学性能良好，被视为是一种具有潜力的热障涂层陶瓷层材料。

1.6    钙钛矿型氧化物

钙钛矿型氧化物ABO3的热膨胀系数低（低于YSZ陶瓷），熔点高，热导率低，其晶体结构呈立方形态，A原子在立方结构的体心，B原子在顶点，与O原子形成稳定的BO3八面体结构。因A、B位元素丰富的可替换性，钙钛矿型氧化物的性能具有较大的可调控性，近年来受到广泛关注。

LIU等依据第一性原理，发现在典型钙钛矿ABO3（A为锶、钡；B为钛、铪、锆）化合物中A—O键的强度比B—O键弱，这种化学键强度的不均匀性对钙钛矿氧化物热/力学性能的各向异性影响显著。ABO3钙钛矿型氧化物在室温到1400℃时会发生明显的相变，因此基于声子导热机理以及热膨胀理论，通过引入原子来制备复合钙钛矿型氧化物成为有潜力的研究方向之一。

在已知氧化物中，Ba（Mg1/3Ta2/3）O3的熔点最高（3100℃)，远高于YSZ陶瓷和稀土锆酸盐、铝酸盐、钽酸盐等新型热障涂层陶瓷层候选材料，在1200℃时具有与YSZ陶瓷相当的热导率 （2.5W·m-1·K-1），在200~1200℃时的热膨胀系数在（9.5~11.5）×10-6 K-1，与黏结层的匹配性良好，但是其断裂韧度仅为0.7MPa · m1/2（仅为YSZ陶瓷的 1/5）。Ba（Mg1/3Ta2/3）O3中的镁极易挥发，在采用等离子喷涂法制备涂层的过程中会析出钽酸钡相（Ba3Ta5O15）第二相，该相热膨胀系数低（6.5×10-6K-1），会引起较大的热失配应力，使得Ba（Mg1/3Ta2/3）O3涂层在热冲击过程中过早开裂。  JARLIGO等通过优化大气等离子喷涂参数来避免第二相的产生。曹毓鹏等则用锌替代镁元素， 通过大气等离子喷涂制备出Ba（Zn1/3Ta2/3）O3 涂层，该涂层具有单一的钙钛矿结构，未析出第二相，涂层内部结合紧密，呈现出良好的喷涂工艺适应性；该材料在室温至1500℃内无相变，在1600℃煅烧48h不发生分解，表现出良好的高温稳定性；在1200℃时的热导率（仅为1.65W·m-1·K-1）低于传统的YSZ陶瓷和Ba（Mg1/3Ta2/3O3，在200~1400℃的平均热膨胀系数达11.3×10-6K-1，与金属黏结层形成良好的热匹配。

钙钛矿型氧化物具有与金属黏结层相近的热膨胀系数，但其断裂韧性低，对钙钛矿型氧化物进行力学性能的改进将对其应用具有极大的意义。

1.7    A6B2O17 型陶瓷新材料

熵稳定的A6B2O17（A为铪、锆等；B为钽、铌、锡等）型陶瓷的热导率在1.4~2.1W· m-1·K-1。Hf6Ta2O17具有较高的热稳定性，在1500℃时的热导率为1.62W·m-1· K-1，低于8YSZ陶瓷，但断裂韧性相较于YSZ陶瓷更低，这在一定程度上限制了其应用范围。Zr6Ta2O17具有良好的高温稳定性，断裂韧度可达3.15MPa·m1/2，但与Hf6Ta2O17共同存在制备工艺要求和材料成本高的问题。WU等研究发现，（Hf1/2Zr1/2）6（Ta2/3Nb1/3）2O17陶瓷由于具有适中的晶粒尺寸和低孔隙率，在高温下仍具有优异的力学性能：当温度从25℃升至1200℃时，其断裂韧度从3.19MPa·m1/2仅微降至2.37MPa·m1/2，高温下该陶瓷的晶格畸变和位错增加，阻碍了裂纹的扩展，从而提升了断裂韧性。A6B2O17型陶瓷具有较低的热导率和优异的高温稳定性，是极具应用潜力的新型陶瓷层材料，目前已经受到广泛关注。

 

2    热障涂层陶瓷层的制备方法

热障涂层陶瓷层的制备方法对其微观结构和热/力学性能具有直接影响，持续改进制备工艺是热障涂层发展的重要方向之一，目前最常用的制备方法是大气等离子喷涂法和电子束-物理气相沉积法。

2.1    大气等离子喷涂法

大气等离子喷涂法是一种通过加热等离子体气体来熔融粉末颗粒，并将颗粒以一定速度撞击基体 表面，使其沉积形成片层状涂层的技术。该技术操作工艺简单成熟，制备成本低，对涂层材料要求不高，沉积率高，因此应用广泛。YSZ陶瓷、稀土掺杂YSZ陶瓷、稀土锆酸盐、稀土铝酸盐、钙钛矿型氧化物等陶瓷涂层均可使用这种方法进行制备。在喷涂过程中，随着喷涂速度和粉末进给速率的增大，涂层与基体的结合强度提高，但是粉末颗粒的熔融时间缩短，未能完全熔融的颗粒会增大涂层的孔隙率。 虽然孔隙率提高有助于隔热性能的提高，但是会降低抗热震性能，不利于涂层的使用寿命。喷枪与基材之间距离的增大则会降低粒子的能量，增大孔隙率，从而降低热导率。在大气等离子喷涂法制备涂层过程中，需要在等离子体流周围引入氩气等保护性气体来抑制氧化。

2.2    电子束-物理气相沉积法

电子束-物理气相沉积法是一种在真空状态下使用高能电子束轰击陶瓷材料，使其气化为气相原子或分子并沉积到基材上形成涂层的技术，可用于制备YSZ陶瓷、稀土硅酸盐、钙钛矿型氧化物等陶瓷涂层。与大气等离子喷涂法（层状结构涂层）相比，该方法制备的陶瓷涂层具有与涂层表面垂直的柱状晶结构，与基体之间为冶金结合，结合强度更高，抗剥落能力更强，但是柱状晶间的间隙会增大其热导率，降低抗氧化性。牟仁德等研究发现，不同电子束流下制备的YSZ陶瓷涂层均具有非平衡四方相结构，但涂层中的柱状晶尖端结构会随电流增大变得粗大，从而增大热导率。王博等研究发现，采用电子束-物理气相沉积法制备YSZ陶瓷涂层的过程中，基体预热温度大于1000℃时，涂层柱状晶结构明显，隔热性降低。电子束-物理气相沉积法需要真空环境，设备复杂且成本高，工艺参数难以控制，涂层质量的稳定性不易保证。

除上述两种制备方法外，还有对上述两种方法进行改良或将二者结合的其他制备技术，如结合超低压环境离子喷涂和物理气相沉积的等离子物理气相沉积技术，以激光束作为高能热源并对预制涂层重熔以获得均匀微结构的激光熔覆与重熔技术，以纳米或微米尺度的涂层悬浮液取代涂层粉末颗粒的悬浮等离子喷涂技术等。这些技术都能对涂层性能产生积极影响，但受成本、工艺复杂性等限制，尚未实现大规模工业应用。对制备工艺进行进一步的改良和研究在理论探索和工程应用方面具有重要意义。

 

3结束语

发动机涡轮叶片表面的热障涂层陶瓷层材料大多具有较低的热导率，但ZrO2基陶瓷材料存在高温相变现象，锆酸盐、铝酸盐、钙钛矿型氧化物等陶瓷材料因热膨胀系数较低，容易与黏结层产生热失配应力而发生脱落。钽酸盐和铌酸盐与黏结层的热膨  胀系数相当，A6B2O17型陶瓷的高温断裂韧性良好，都具有较好的隔热效果，是具有潜力的热障涂层陶瓷层材料。但总体而言，陶瓷材料的断裂韧性仍然较低，寿命较短，因此提高其断裂韧性、延长使用寿命仍将是未来热障涂层陶瓷层的主要研究方向。今后的研究可在以下方面重点展开：

（1）深入研究稀土元素或稀土氧化物掺杂对ZrO2基陶瓷和锆酸盐断裂韧性和热膨胀系数以及ZrO2相稳定性的影响；

（2） 筛选具有特定化学组成的铝酸盐，通过稀土掺杂提高铝酸盐的热膨胀系数，降低热导率，同时提升高温相稳定性；

（3）通过稀土掺杂和控制晶粒尺寸等方法提高钙钛矿型氧化物陶瓷材料的断裂韧性；

（4）对现有制备工艺进行工艺参数（如喷涂速度、电子束电流等）调控和不同工艺融合等优化以制备长寿命、低成本且具有稳定性能的陶瓷涂层。

 

来源：机械工程材料

关键词： 发动机 涡轮叶片 热障涂层陶瓷层