氧化锆热障涂层的热障性能及应用

氧化锆（ZrO₂）热障涂层（TBCs）是高温结构件的核心防护材料，而氧化钇（Y₂O₃）主要作为氧化锆的稳定剂使用（纯氧化锆无实用热障价值），二者协同决定涂层的热障性能，其对不同功能结构件的热障影响需结合材料特性与结构件工况分析，具体如下：

一、材料核心特性与热障机制

1.氧化锆的热障基础

纯氧化锆存在晶型转变（室温单斜→1170℃四方→2370℃立方），相变会产生 3-5% 的体积膨胀，导致涂层开裂剥落，无实际应用价值。

掺入氧化钇后，氧化锆形成部分稳定氧化锆（PSZ）或完全稳定氧化锆（FSZ），抑制晶型转变，同时保留其核心热障优势：

极低的热导率（0.8-2.0 W/(m・K)，远低于金属基体的几十到上百 W/(m・K)）；

高熔点（＞2700℃），可承受 1200℃以上高温燃气冲刷；

良好的化学惰性，抗高温燃气腐蚀（如硫、钒氧化物）。

2.氧化钇的调控作用

晶型稳定：Y³+ 取代 Zr⁴+ 形成氧空位，稳定四方或立方晶型，避免相变开裂；

热导率优化：Y₂O₃含量（通常 6-8wt%）过高会提升热导率（离子传导增强），过低则无法完全抑制相变，6-8wt% Y₂O₃-ZrO₂（YSZ）为经典热障体系；

抗烧结性能：适量 Y₂O₃可抑制氧化锆晶粒长大，维持涂层多孔结构（多孔是降低热导率的关键）。

二、对不同功能结构件的热障影响

1. 航空发动机涡轮叶片 / 导向叶片

工况特点：1100-1600℃高温燃气、高频热循环（起飞 - 巡航 - 降落）、高速气流冲刷、热腐蚀（燃油含硫 / 钒）。

热障影响

① 核心防护：YSZ 涂层可将叶片金属基体（镍基高温合金）温度降低 150-300℃，使基体在＜1000℃安全区间工作，避免合金蠕变、氧化失效，直接提升发动机推重比和服役寿命；

② 失效风险：长期热循环下，YSZ 涂层会出现热生长氧化物（TGO）层（涂层与粘结层间的 Al₂O₃），TGO 增厚产生内应力，易导致涂层剥落；且 1200℃以上 YSZ 会发生烧结，热导率升高、韧性下降；

③ 改进方向：对新一代高推重比发动机，需用稀土掺杂（如 Gd₂O₃、Yb₂O₃）的多元锆酸盐，提升高温稳定性。

2. 燃气轮机燃烧室 / 过渡段

工况特点：1200-1400℃持续高温、火焰直接冲击、燃料灰分腐蚀、机械振动。

热障影响

① 隔热与抗腐蚀：YSZ 涂层可降低燃烧室壁温，减少冷却气用量（冷却气占比从 20% 降至 10% 以下），提升燃气轮机效率；同时阻挡燃料灰分中的碱金属（Na、K）和钒酸盐侵蚀，避免基体高温腐蚀；

② 结构适配性：燃烧室为薄壁构件，涂层需兼具隔热性和柔韧性，YSZ 的低弹性模量（20-30 GPa）可匹配基体热膨胀，减少热应力开裂；但涂层厚度需控制在 200-500μm（过厚易剥落）。

3. 汽车柴油机活塞 / 气门

工况特点：800-1100℃往复式热冲击、机械摩擦、燃油 / 润滑油积碳腐蚀。

热障影响

① 降低热损失：YSZ 涂层可减少活塞顶部热量向冷却系统散失，提升燃烧效率（燃油经济性提升 3-5%），同时降低气门头部温度，避免气门烧蚀；

② 耐磨与抗积碳：涂层表面光滑且化学惰性强，可减少积碳附着和机械磨损，但需解决涂层与活塞铝合金 / 铸铁基体的结合力问题（通常采用等离子喷涂 + 封孔处理）；

③ 局限性：柴油机工况的低频大振幅热循环易导致涂层微裂纹，需优化涂层孔隙率（10-15% 为宜，兼顾隔热与强度）。

4. 工业炉窑耐热构件（如陶瓷辊道、炉膛内衬）

工况特点：600-1200℃长期恒温 / 缓变温、炉气腐蚀（酸性 / 碱性气氛）、物料磨损。

热障影响

① 节能与延寿：YSZ 涂层可降低炉体散热损失（节能 10-15%），同时保护金属辊道 / 支架免受高温氧化和物料磨损，使用寿命延长 2-3 倍；

② 气氛适配性：在碱性炉气（如水泥窑）中，YSZ 易与碱金属反应生成低熔点化合物（如 Na₂ZrO₃），需改用稳定化程度更高的 8YSZ 或添加 MgO 的复合涂层；酸性气氛下 YSZ 稳定性优异。

三、氧化钇含量与涂层类型对热障的差异化影响

四、总结

氧化锆（以 YSZ 为核心体系）是高温结构件热障涂层的核心材料，氧化钇的含量直接决定其晶型稳定性和热障性能；不同功能结构件因工况差异，对涂层的隔热性、抗热冲击性、耐腐蚀性要求不同，需针对性选择涂层成分和制备工艺（等离子喷涂、电子束物理气相沉积等）。

苏州傲川纳米科技有限责任公司的钇稳定氧化锆材料，采用第五代纳米材料生产工艺：

1、工艺环保，成本可控。

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3、粉体活性好、振实密度高、烧结后致密度高。

4、应用于喷涂、陶瓷的氧化锆粉体：有着优异的力学性能。