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1.2.3陶瓷涂层的失效机理
陶瓷热障涂层一般工作在温度高、酸碱腐蚀氛围及强热冲击等十分恶劣环境之中，由于陶瓷涂层热膨胀系数与金属基底热膨胀系数的不相同，两者之间会生内应力，就会让涂层产生裂纹进一步导致裂纹扩展，结果使得涂层开裂、脱落，导致涂层失效。涂层剥落失效是阻碍其应用的最大原因 [6]- [7]。影响涂层使用寿命的因素很多，主要有涂层的元素成分和组成，涂层的厚度和涂层的硬度，涂层中应力的大小和分布等 [8]。其中热循环过程中产生的应力是导致涂层失效的主要原因，这种热应力有相变引起的应力、热生长氧化物(TGO)产生的应力、热膨胀系数不匹配引起的热应力和涂层温度梯度产生的应力等组成。在金属粘结层和陶瓷涂层之间生长的热氧化物层是导致陶瓷涂层失效的根本原因，热生长氧化物层的最大厚度为 8-10 μm，超过此范围涂层就会脱落 [9]- [12] 。
1.2.4 陶瓷涂层材料
表 1.1 是常见的热障涂层陶瓷材料的基本性质。
表1.1 热障涂层陶瓷材料的基本性质
Meterial Tm/℃ α×10 -6 /K -1
(20-1000) λ/W•m -1•K -1
(1000) D th ×10 -6 /m 2•s-1 (1000） E/GPa
(20) ν C p /J•g -1•K -1
(1000)
ZrO2 2700 15.3 2.17 0.43 21 0.25 ---
8YSZ 2700 11.5 2.12 0.58 540 0.22 0.64
莫来石 1850 5.4 3.3 --- 30 0.25 ---
Al 2O 3 2050 9.6 5.8 0.47 30 0.26 ---
La2Zr2O7 2300 9.1 1.55 0.54 270 --- 0.49
CeO2 2600 13 2.77 0.86 172 0.29 0.47
BaZrO3 2690 8.1 3.42 1.25 181 --- 0.45
Y3Al5O12 1970 9.1 3 --- --- --- ---
LaPO4 2070 10.5 1.8 1.33 0.28 --- ---
注：T m 为熔点；α 为热膨胀系数；λ 为导热系数；D th 为热扩散系数；E 为杨氏模量；ν 为泊松比；C p 为比热容；
由于金属粘结层的 α 大于 15×10 -6 K -1 ，由表 1.1 可以看出，8YSZ 具有和金属粘结层相匹配的热膨胀系数、 低的导热系数、 高熔点等优点而成为热障涂层材料的首选材料 [18]。该涂层可在 1100℃以下长期工作， 已成功用于航空发动机的燃烧室及其它高温部件。但是，8YSZ 致命的缺点就是在高温下(1200℃以上)就会发生相变化，而且更容易烧结，使得涂层的抗震性能严重下降，大大减小涂层的使用寿命。
随着航空工业上的发展，8YSZ 涂层材料已不能满足要求，为了克服 8YSZ 涂层材料在高温下相变的不足， 研究工作者正在致力于研究在更高温度下使用的新型热障涂层材料。在新型热障涂层材料中，研究比较多的是La2Zr2O7 体系，已经被研究人员公认为是一种十分有前途的高温热障涂层新型材料 [4]。从表1.1可以看出，La2Zr2O7的热膨胀系数相对较小。热膨胀系数是目前制约这种体系应用于热障涂层的最重要问题。通过稀土元素的掺和取代，能够提高其热膨胀系数，这也是目前研究最多的课题。并且，通过掺杂稀土元素，还能使体系的导热系数相应减小，这对于热障涂层的隔温效果是有利的。