热循环下热障涂层应力的数值模拟(3)
1.2.2 热障涂层的材料成分
陶瓷层的选材对材料的基本功能要求十分苛刻：(1)低热导率；(2)高熔点；(3)高化学稳定性；(4)服役温度范围内不发生相变；(5)与基体结合良好且热失配小；(6)烧结收缩率低。严格的要求使得只有极少的材料能够基本符合这些条件。
7% ~ 8%Y3O3 –ZrO2陶瓷材料是经典的陶瓷层材料，但长期处于高于1200℃温度的环境下就会产生剥落失效。当温度升至更高时，亚稳的t’相转化为t相和c相，而在冷却过程中，转化为单斜的m相。相变将产生体积膨胀，使涂层产生裂纹和剥落。可以通过加入TiO2来改善其断裂韧性，而加入La2O3和Y2O3可以提高Zr2O3抗烧结性能、降低热导率。
近年来，又发展出了A2B2O7型的二元金属氧化物TBCs [9]，这类氧化物具有特殊的结构和性质，其晶体结构与烧绿石结构相同，故称其为烧绿石结构氧化物。典型的有La2Zr2O7、Nd2Zr2O7等，可以通过化学沉淀法制取它们。与传统的氧化物相比，他们具有非常好的高温稳定性，烧结过程中收缩率很低，而且热导率不高，是十分理想的陶瓷层材料。
热障涂层体系中的粘结层的材料一般选用MCrAlY (M = Ni、Co或Ni-Co )。其中Ni-Co是基体元素。Al的加入可以氧化生成Al2O3，提高基体抗氧化能力，粘结层中Al含量越高，寿命越长，但使其脆性增加，一般控制在8%-12%。Cr的作用同Al相似，在高温环境下，由于Al的氧化能力优于Co，当Al完全氧化生成Al2O3时，Co才开始发生氧化，生成的Co2O3膜介于粘结层和Al2O3膜之间，能够有效保护基体，提高基体的抗氧化能力，但Co的存在同样会使其脆性增加，因此，在保证粘结层的使用寿命和基体抗氧化性能的前提下，尽可能降低Co的含量。Y质量分数一般在1%以下，可以细化晶粒、提高起到细化晶粒A l2O3膜与基体结合强度，改善涂层抗热震性，降低粘结层的氧化速率[10]。
1.2.3 热障涂层的制备方法
最早应用于制备TBCs的工艺是等离子喷涂法，但等离子喷涂法制备的涂层存在很多缺点，难以适应高技术的要求，故又发展了电子束物理气相沉积法[11]。
等离子喷涂法的原理是利用等离子喷枪产生高温高速等离子体，直接将陶瓷粉末加热到熔融状态，并带向基体。当高速的熔融状态颗粒撞击在基底上时，发生塑性变形，变成扁平状，形成层状结构，冷却后附着在基体上，而后各个颗粒依次撞击，相互粘结，从最终在基体表面形成TBCs,其原理示意图1. 3。等离子喷涂制备热障涂层一般有两种方式：(1) 常规等离子喷涂法又称大气等离子喷涂法( Atmospheric Plasma Spray，APS)；(2) 真空等离子喷涂法( Vacuum Plasma Spray，VPS)。VPS在制备TBCs过程中是在真空的环境下，制备的涂层结构紧密，而APS在制备TBCs时，由于空气的存在使得陶瓷层存在较多的气孔，结构比较疏松，但对于陶瓷层来说，疏松的结构反而具有更高的抗热冲击性能和隔热性能。而且,APS制备TBCs所需设备简单，制备效率高。
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