中国粉体网讯 热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是合金叶片热防护的另一种有效途径。顾名思义，热障涂层就是在合金叶片表面制备一层“热的障碍”，从而实现对合金叶片的保护。目前，先进的热障涂层可以使合金表面温度下降200~300°C。
热障涂层通常具有双层结构，包括承担了绝大部分温度梯度的陶瓷层，厚度约为100~400μm，近年来国际上的燃机高温叶片热障涂层都向厚膜方向发展（美国GE及日本三菱的高温涂层厚度都大于1mm）。在陶瓷层与基体之间提供结合强度的合金黏结层，厚度约为100μm。高温环境下，氧穿过陶瓷层与合金过渡层中的金属元素结合，在陶瓷层和合金黏结层的界面处形成一层以α-Al2O3为主的热生长氧化层（TGO）。通常，热障涂层主要是指陶瓷层的部分。
合金叶片表面热障涂层的结构示意图
由于具有低的热导率、热膨胀系数和优异的高温性能，YSZ是目前使用最广泛的TBC表面陶瓷层材料之一，除具有隔热作用外，还起到防腐蚀等作用，保证了热端部件的可靠性和服役寿命。
先进热障涂层制备工艺对原料粉末的质量控制标准极为严苛，要求粉体必须同时具备化学成分与晶体结构的均一性、良好流动性以及粒径分布窄等关键特性。当前研究表明，采用热喷涂工艺获得的纳米结构涂层在多项关键性能参数上显著超越常规涂层体系。
然而纳米粉体由于颗粒质量过小，在喷涂过程中出现粉末输运稳定性下降；同时动量不足致使纳米颗粒难以在基体表面形成致密沉积层，甚至产生涂层缺陷现象。为此，工程实践中普遍采用再造粒技术对纳米粉体进行二次加工，通过构建具有纳米级晶粒特征的微米级团聚颗粒作为喷涂喂料，已实现高效的涂层沉积。具有空心球结构特征的YSZ粉体（Hollow Spheres，HOSP）作为创新性热障涂层材料，其等离子喷涂制备的YSZ面层展现出更低的热传导系数与优异的抗高温烧结特性，被公认为当前热障涂层体系中综合性能表现最为突出的材料之一。
YSZ空心球粉体的制备
目前国内外报道的等离子喷涂用YSZ空心球粉体制备方法主要有喷雾干燥法、等离子球化法以及模板法。
1.等离子球化法
等离子球化法是以等离子喷枪为热源，将采用其他方法制备的YSZ团聚粉末进行快速热处理，然后通过冷却介质迅速冷却固化来制备空心球粉体的工艺方法。由于等离子射流的温度高达104℃，远远超过YSZ粉末的熔点，因此当YSZ团聚粉末被送粉气送到等离子射流后，YSZ团聚粉末的表面被迅速熔化并形成一层液膜，使得YSZ粉末表面的气体溢出，内部的气体被“捕获”。随着粉末的熔化，被“捕获”的气体受热膨胀，在表面张力和气体热膨胀力的共同作用下形成空心球形液滴，扫入冷却介质后被迅速冷却固化，收集后得到YSZ空心球形粉末。
等离子球化法制备YSZ：（a-b）空心微球截面形貌图；（c）等离子空心化示意图
采用等离子球化法制备的YSZ空心粉体颗粒表面光滑，流动性好，可以直接用于等离子喷涂；该工艺简单、成本低廉等优点。
2.喷雾干燥法
喷雾干燥技术是一种通过粉体重构形成特定粒径颗粒的工艺方法，其操作过程主要包括将固体微粒、结合剂及分散助剂按特定配比混合制备成悬浮液，随后利用雾化干燥完成颗粒成型。
喷雾干燥法制备空心钇稳定氧化锆示意图
喷雾干燥造粒温度一般不超过400 ℃，因此，采用该种方法制备的空心粉体，球壁是由细小颗粒团聚而成，骨架强度低，直接喷涂时容易破碎，可以通过烧结等方式来提高颗粒的骨架强度后再用于等离子喷涂热障涂层，但是粉体经过烧结处理后，颗粒因收缩而粒径变小，在制备时需要考虑粉体烧结时的收缩量。相比等离子球化法的高温和低球化效率（~5 kg/h），喷雾干燥造粒法由于制备温度低、效率高而成本相对较低。
3.模板法
模板法是一种以胶束、气腔或者液滴等为模板，通过相变、吸附或界面反应等物理化学过程或自组装过程，将金属、金属氧化物以及陶瓷等材料沉积在模板上形成层壳，然后通过溶解、煅烧或者蒸发等方式将模板去除，得到相应的空心球形粉末的工艺方法。
模板法制备YSZ空心球形粉末是一个较新的课题，近年来，国内外做了一系列相关的研究。该方法有着原理简单、重复率高以及性能稳定等优点，但步骤较为复杂，还不能大批量生产。此外，在模板去除的过程中，YSZ空心球形粉末的壳层形貌和性能都可能发生较大的变化，而模板是否能完全去除也对所得YSZ空心球形粉末的纯度有着重要的影响。
YSZ空心球粉体制备技术进展
美国Sulzer Metco公司1996年成功研制出了氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)空心球形粉体（HOSP）。该粉末为空心球形粉末，它综合了团聚雾化近球形粉流动性好和破碎型粉末预合金化好的双重优点，还具有如下明显优点：
1)单颗粉末的空心度达75%。其涂层的闭气孔率达12~14%，远远高于常规氧化锆涂层的气孔率。因此，这种新型涂层的隔热性能和耐热震性等均有明显提高；
2)采用氧化铈和氧化钇复合稳定剂。一方面，用氧化铈作稳定剂，可使涂层更耐Na、Cl、S、V等的熔盐腐蚀。另一方面，在氧化铈主要稳定剂基础上，添加少量氧化钇可使氧化锆晶粒细化，热稳定性更好；
3)类皮球状的空心球形粉流动性好，熔化特性好，可均匀送粉，在较低的喷涂功率或较大的送粉率下能顺利喷涂。
Sulzer Metco公司的ZrO2空心球的形貌
它主要应用于航空发动机的薄壁受热部件上，特别是军用航空发动机加力筒体的隔热保护屏。该粉末制备技术和应用技术被美国国防部明令禁止出口。
在国内，重庆仪表材料研究所于20世纪末开始了YSZ空心球形粉末工艺的研究并自主开发出了一种达到国外先进规范的等离子喷涂用YSZ空心球形粉末，该粉末材料属于国内首创，被列为国家重点新产品。
YSZ空心球粉体的过人之处
等离子喷涂是一种快速成型技术，碰撞基体前的飞行粒子特性（温度、速度以及熔化程度）对粒子的铺展形貌、粒子与基体的结合以及粒子之间的结合具有重要的影响，进而影响最终涂层的组织结构和性能。
由于比表面积大，YSZ空心球形粉末在等离子射流中的飞行速度以及表面温度更高，并且能够充分熔透。而且是在相同粒径下，由于YSZ空心球形粉末的飞行速度以及表面温度较高，YSZ空心球形粉末的铺展更充分。
美国热喷涂研究中心曾报道了不同形貌的YSZ粉末在飞行粒子温度和速度相同时制备涂层的组织结构与隔热性能。研究发现YSZ熔融破碎粉末制备的涂层的孔隙率最低，空心球形粉末其次，而团聚烧结粉末最高。此外，虽然YSZ空心球形粉末制备的涂层孔隙率居中，但是涂层的隔热性能和弹性模量却最优，并且具有良好的抗高温烧结能力。经过高温热处理后，隔热性能和弹性模量的降低值最少。
采用空心球粉体等离子喷涂YSZ涂层过程中，由于粉体熔化后与基体碰撞铺展凝固的过程中存在“反溅”，使其涂层具有适中的孔隙率和独特的孔隙组成、低的热导率和模量以及优异的抗高温烧结性能，符合高性能TBCs的低导热和抗高温烧结要求。
来源：
李云舒：喷雾干燥法制备氧化锆热喷涂粉末及其性能研究
李飞等：氧化锆空心球粉体制备及其涂层性能研究进展
陆晨：热等离子体制备高强度陶瓷空心微球的研究
赵钦等：等离子喷涂用Y2O3稳定ZrO2空心球形粉末制备技术及涂层性能的研究现状
刘淑艳：热障涂层用氧化锆空心球形粉末
（中国粉体网编辑整理/空青）
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