渦輪葉片是航空發動機的核心部件，也是航發工作環境最為惡劣的部件，因此制造渦輪葉片的難度極高，除了采用單晶或者定向合金作為制作材料外，還需要給它鍍上一層對基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度的“外衣”——熱障涂層（簡稱TBC），才能算是達到使用要求。

既然如此，為了盡可能地達到最好的熱防護效果，熱障涂層的制作就很是關鍵。熱障涂層一般都是由熱絕緣的陶瓷層及抗氧化的金屬黏結層構成，由于氧化釔、部分穩定的氧化鋯具有較低的熱導率和較高的熱膨脹系數，因此被廣泛用作航空航天、石油、化工等工業設備上的高溫部件的熱障涂層表面層陶瓷材料。

不過由于等離子噴涂工藝的特殊性，涂層中不可避免地存在著孔隙，它們在很大程度上左右著熱障涂層的性能。到底孔隙對涂層來說是好還是壞，下面一起來看看。

熱障涂層中的孔隙

1.孔隙對力學性能的影響

力學性能是直觀地反映涂層質量的重要基本指標之一。有研究表示，孔隙的存在使熱障涂層彈性模量降低，材料強度降低，而通過熱處理能使陶瓷涂層更致密，楊氏模量和界面應變能增大，涂層力學性能得到增強。

但孔隙帶來的也不全是壞處——由于等離子噴涂制備的熱障涂層具有層片狀結構的典型特征，有的存在貫穿性裂紋，有的裂紋平行于涂層表面，平行于涂層表面的裂紋結構容易導致涂層失效，對抗熱震性十分不利。如果涂層孔隙率較高，且小孔徑孔隙分布比較均勻，使得裂紋長度有效縮短，沒有貫穿性裂紋和平行裂紋，且未完全熔融的小尺寸顆粒能夠增加涂層的韌性，這對于抗熱震性比較有利。這種孔隙將會吸收熱震工況下的熱應力，能夠容納較高的應力，使涂層具有較好的抗熱震性能。

熱噴涂 YSZ 涂層典型的層狀結構

另外，王千文等在研究等離子噴涂熱障涂層的隔熱性能時，還證明了熱障涂層孔隙率與熱震壽命存在關系（關系圖如下）——孔隙率增加，熱震壽命也相應地增加。

孔隙率與循環次數的關系曲線

2.孔隙對熱學性能的影響

孔隙不僅可以對熱障涂層的力學性能產生影響，也會對涂層的隔熱性能產生影響。根據Yugeswaran S和Hitoshi Fujimoto等的實驗，孔隙在涂層內的分布、形貌、大小均會對熱障涂層性能產生影響，粒子在撞擊基體表面時，在正常碰撞的條件下，粒子會擴散并變成一個圓盤；在傾斜碰撞的條件下，碰撞后，在顆粒底部形成薄膜，并沿著基體表面擴散，形狀也變得不均勻。產生孔隙最多的是在粒子交界處，裂紋容易在此生成，導致涂層的結合強度不高。用于耐腐蝕、高溫抗氧化和高溫抗沖刷等環境下的涂層，要求孔隙越少越好，而對于帶有潤滑劑的摩擦部件和在高溫隔熱條件下的基體表面，孔隙又是有利的。

靜止的空氣是熱的不良導體，其熱導率為0.026 W/(m·K)，而氧化鋯塊材的熱導率為1.8~2.35 W/(m·K)，引入孔隙將顯著降低陶瓷材料的熱導率。在一定孔隙率的情況下，減小孔隙尺寸，將增加孔隙的數量及表面積，進而增加孔隙與陶瓷材料之間的界面數量。在一定的界面熱阻條件下，界面數量越多，其導熱能力越低，所以孔隙尺寸的減小可降低涂層的熱導率。

涂層孔隙率與隔熱溫差的關系

總結

顯然，孔隙對熱障涂層性能的影響有利有弊。它的存在一方面可提高涂層的隔熱性能，另一方面又會使涂層的綜合力學性能下降。

在實際生產中，可根據工況將涂層孔隙率控制在一定范圍內，可采用的手段有很多，包括但不限于：原始粉末孔隙尺度的設計與保留控制、造孔劑形貌及尺寸控制、熱噴涂過程中臨界等離子噴涂參數控制及孔隙后處理等。通過控制熱障涂層的孔隙率，就能有效地在保證涂層綜合力學性能的基礎上，提高涂層的隔熱性能，相信這也是未來一定時期內熱障涂層發展的一個重要方向。

資料來源：

熱噴涂熱障涂層孔隙與涂層性能關系研究進展，賈涵，高培虎，郭永春，楊忠，王建東，李全平。

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