长知识了！看高温防护涂层如何顶住“烤”验？

高温防护涂层——在高温条件下，为金属提供抗氧化防护，免受高温腐蚀，耐高温可达2300℃。

目前在航空航天、能源、石油化工等诸多领域得到了广泛的应用，其中最被大家熟知的是用于各种燃气涡轮发动机上，比如飞机、舰船和地面发电等。

经过研究人员的不断探索，高温防护涂层的发展由传统意义上的扩散涂层、覆盖涂层到后面发展起来的陶瓷热障涂层。

扩散涂层

通过与基体接触并与其内的确定元素反应，从而改变了基体外层的涂层称为扩散涂层，这是目前应用最广的一种高温防护涂层技术。

■ 铝化物涂层

铝化物涂层是工业上应用最早且应用范围最广的高温防护涂层。主要通过热扩散的方式获得，分别用于高温合金和难熔合金的高温防护。

在镍基、钴基、铁基高温合金表面可以分别形成以NiAl、CoAl、FeAl为主的金属间化合物渗层。铝化物涂层在高温下可以形成保护性Al2O3膜，因而具有优良的抗高温氧化、硫化和耐热腐蚀等性能。

■ 硅化物涂层

但由于铝化物涂层具有一些缺点，例如脆性大、易开裂剥落、涂层与基体易发生互扩散、涂层寿命较短等。因此发展了改性的铝化物涂层，即硅化物涂层。

硅化物涂层在多元共渗涂层来弥补其不足，如Al-Pt、Al-Pd、Al-Cr、Al-Si、Al-Mn、铝稀土共渗涂层等，并在铌基、钼基、钨基合金表面可以分别形成以NbSi2、MoSi2、WSi2为主的硅化物涂层。

硅化物涂层在高温下可以形成保护性SiO2膜，其使用温度比铝化物高，可用于难熔合金在1200~1600℃的高温防护。

覆盖涂层

在基体表面沉积含保护性金属元素的涂层为包覆涂层。利用各种物理的或化学的沉积手段在合金表面直接制备一层保护性薄膜，这层薄膜就是包覆涂层。

■ 覆盖型合金涂层

为了克服扩散型涂层存在的与基体相互制约、涂层组织受扩散反应限制等缺点，提高涂层的综合性能，而开发了覆盖型合金涂层。

MCrAIY包覆涂层，是覆盖型合金涂层的典型代表，它可以调整涂层成分、能在更高温度下起到抗氧化作用。

这类涂层主要由β相和Y相组成，与合金之间的扩散要弱得多，可以根据需要进行设计、调整成分与结构，或加入更多的合金元素，如MCrAIYSi.MCrAIYTa,MCrAIYHf等。

MCrAlY涂层的成分和结构完全与基体合金无关。这类涂层可以采用多弧镀、磁控溅射、电子束物理气相沉积和等离子喷涂等先进的技术进行涂覆。它能使涡轮叶片的抗高温热腐蚀能力进一步提高，可在恶劣的腐蚀环境中工作四万小时以上。

■ 表面结构改性涂层

这种涂层如它的名字一样，不改变合金表面的成分，仅改变组织结构，就能使得合金的耐高温腐蚀性能得到大幅度提升，相当于在合金表面形成性能优异的抗高温保护膜。

例如，采用激光表面重熔、高能脉冲表面处理、阴极等离子电解处理、表面喷丸等技术，使合金表面形成微晶层或纳米晶层，以及采用磁控溅射等方法在合金表面沉积相同成分的微晶或纳米晶合金涂层，都可以加速被氧化元素沿晶界向外短路扩散，促进合金形成选择性的保护性膜。

研究发现，微晶溅射层氧化后形成一层连续致密的膜，无内氧化，其抗氧化性能比热扩散渗铝层好。另外，磁控溅射Ni基高温合金K38G”纳米晶涂层也同样表现出优异的抗氧化性能。

陶瓷涂层

陶瓷涂层可分为2类，1类为耐高温腐蚀涂层，另一类为热障涂层。

■ 耐高温腐蚀涂层

耐高温腐蚀涂层种类很多，用途也不尽相同。近年来，多相复合结构陶瓷涂层的发展使陶瓷涂层的工业化应用成为可能。

其中应用最广的是Sio2和AI2O3，它具有良好的抗氧化性，可以起到隔离气体介质、降低合金氧化速度的作用，往往用于短时间的防护场合。

■ 热障涂层

经过几十年的发展，陶瓷层状复合涂层的典型代表是热障涂层。

热障涂层一般由金属连接层和陶瓷层组成，隔热层能有效降温100~300摄氏度。施加后可以提高燃气涡轮发动机的热机效率，延长使用寿命，这种技术具有设备简单、成分容易控制、成本低等优点，广泛应用于涡轮叶片。

目前已在国外多种军用民用航空发动机涡轮转子叶片及导向器上得到应用，如美国F414，RB211-535等系列，俄罗斯的AJI-3D，欧洲联合制造的EJ200等。

从上世纪50年代至今，研究者在“没有最高只有更高”的温度追求下，咱们的高温防护涂层领域的研究取得了极大的成果，使得高温结构材料免受高温腐蚀，为人类文明进步提供不竭动力！