航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层:回顾与展望_百

2022 年

第 1 期

第 42 卷

第 15 – 24 页

航　空　材　料　学　报

JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALS

2022，Vol. 42

No.1 pp.15 – 24

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用

金属黏结层：回顾与展望

陈卫杰, 宋 鹏, 高 栋, 汪 超

1*123

（1．昆明理工大学 材料科学与工程学院, 昆明 650093；2．中国航发商用航空发动机有限责任公司 研发中心材料工艺部, 上

海 200241；3．上海电气燃气轮机有限公司 燃气轮机研究所, 上海 200240）

摘要：超音速火焰喷涂制作的金属黏结层加料浆喷涂制作的柱状晶结构陶瓷隔热层被视作新一代航空发动机和燃

气轮机用热喷涂热障涂层，其中采用的MCrAlY金属黏结层正朝着长寿命、低成本、适用于新燃料的方向发展。本

文综述近年来航空发动机和燃气轮机热端部件热障涂层用MCrAlY金属黏结层研究进展，并对涂层的结构设计与

成分设计进行探讨。

关键词：燃气轮机；热障涂层；金属黏结层；长寿命；低成本；成分设计

doi：10.11868/.1005-5053.2021.000217

中图分类号：TB3　　　　文献标识码：A　　　　文章编号：1005-5053(2022)01-0015-10

热障涂层广泛用于航空发动机和工业燃气轮

机的热端部件，保证热端部件能够在高温环境中持

续工作，提高工作效率。热障涂层通常被分为两大

类：热喷涂热障涂层和电子束物理气相沉积热障涂

层。传统的热喷涂热障涂层为层状结构，具有相对

较低的热导率，但是抵抗热循环的能力较低，通常

用于不需频繁经历热循环的部件，如燃烧室的内衬

和导向叶片；电子束物理气相沉积热障涂层为柱状

结构，热导率相对较高，抵抗热循环的能力也较高，

用于苛刻热循环环境工作的高压涡轮叶片和导向

叶片。热喷涂热障涂层因其较低的设备成本、较高

的生产效率以及较低的生产成本被众多科研院所、

涂层生产商、航空发动机和工业燃气轮机行业重视

并大力推广。本文简要回顾近年热喷涂热障涂层

的发展趋势，着重讨论热喷涂热障涂层使用的金属

黏结层技术，包括涂层工艺和成分设计，并对金属

黏结层的发展方向进行探讨。

Y

2

O

3

) 热障涂层（TBCs）通常被用于航空发动机和

工业燃气轮机的热端部件（如燃烧室和导向叶片）

（表1），以提高部件的工作温度，延长部件的服役

寿命。其中，MCrAlY金属黏结层既为YSZ陶瓷隔

热层与高温合金基体之间提供黏结力，也为高温合

金基体提供抗氧化和热腐蚀保护

[6]

[1-5]

。目前国际常

用的MCrAlY主要有3类：CoNiCrAlY、NiCrAlY

和NiCoCrAlY （表2），通常由大气等离子喷涂

（APS）、真空等离子/低气压等离子喷涂（VPS/

LPPS）和超音速火焰喷涂（HVOF）方法制备（表1）。

其中，APS-MCrAlY和HVOF-MCrAlY的制备成本

远远低于VPS/LPPS-MCrAlY，因而更受到航空发

动机和工业燃气轮机制造商的重视，VPS/LPPS-

MCrAlY通常被用于比较高端的热端部件产品。

YSZ陶瓷隔热层为基体提供隔热保护，通常由

APS制备。

由于航空发动机和工业燃气轮机的运转具有

升温-等温-降温的热循环周期性特征（表3），热障

涂层的热循环（FCT）寿命是首先考虑的性能指

标。尽管采用典型商用粉末制备的低成本APS-/

HVOF-MCrAlY + APS-YSZ热障涂层已经具有比

较好的热循环寿命，但进一步提高低成本MCrAlY

热循环寿命的研究工作仍在继续。另外，垂直裂纹

陶瓷隔热层（DVC-YSZ）

（SPS-YSZ）

[9]

[8]

[7]

1 航空发动机和工业燃气轮机用热

喷涂热障涂层的发展

热喷涂MCrAlY (M = Ni/Co) + YSZ (ZrO

2

+ 8%

收稿日期：2021-11-20；修订日期：2021-12-20

通讯作者：陈卫杰（1963—），男，博士，教授，研究方向为结

构材料及防护涂层，联系地址：昆明理工大学材料科学与工

程学院（650093），E-mail: ********************。

和料浆喷涂陶瓷隔热层

[10]

与电子束物理气相沉积陶瓷隔热层

，抵（EB-PVD-YSZ）具有相似的柱状结构（图1）

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

16

航　空　材　料　学　报

表 1 航空发动机和工业燃气轮机热端部件常用热障涂层

第 42 卷

Table 1 Thermal barrier coatings commonly used for hot end components of aero-engines and industrial gas turbines

Application

Combustion chamber

Bond coatTopcoat

APS-YSZ

Nozzle guide vane

Bond coatTopcoat

Turbine blade

Bond coatTopcoat

Aero-engineAPS-MCrAlYAPS-MCrAlYAPS-YSZ

LPPS-MCrAlYEB-PVD-YSZ

Aluminide

Pt-NiAl

VPS-MCrAlYAPS-YSZ

HVOF-MCrAlYAPS-low-k-TBC

EB-PVD/

APS-Adv. TBC

[6]

LPPS-MCrAlYAPS-YSZ

EB-PVD-MCrAlYEB-PVD-YSZ

Aluminide

Pt-NiAl

VPS-MCrAlY

HVOF-MCrAlY

APS-YSZ

APS-low-k-TBC

EB-PVD/

APS-Adv. TBC

IndustrialVPS-MCrAlYAPS-YSZ

gas turbineHVOF-MCrAlYDVC-YSZ

APS-low-k-TBC

EB-PVD/APS-Adv. TBC

表 2 国际常用的商用MCrAlY产品

Table 2 Typical commercial MCrAlY products used by aero-engine and industrial gas turbine OEMs

MCrAlY

Type

CoNiCrAlY

Typical product

Amdry 995

Diamalloy 4700

　Co

　Bal

Ni

32

Cr

21

Al

8

TaY

0.5

HfSi

[6]

OEM specification

CPW 528

GE B50TF195 Class A

GE B50AG5 Class B

MSRR 9507/47

GE B50A892/B50AG6

GE B50TF162 Class A

PWA 1365-2/1376

CPW 387

NiCrAlY

NiCoCrAlY

Amdry 962

Amdry 365

Amdry 386

　23

　22

Bal

Bal

Bal

22

17

17

10

12

12

1

0.5

0.50.50.4PWA 1384

PWA 1386

Chromally C-77

表 3 航空发动机和工业燃气轮机的工作周期

Heating rate /

−1

(°C•s)

50

50

50

50

50

50

5

5 / 50

5

0.05

0.05

5

5 / 0.05

5

[7]

[7]

Table 3 Duty cycles to simulate service behavior of aero-engine and industrial gas turbines

Application

Aero-engine

Cycle

Short range-military

Short haul-civil

Medium haul-civil

Long haul-civil

Peak lopping

Base load

Catalytic converters

Turbochargers

Exhaust manifolds

“Two shifting” duty cycle

Continuous-base load

Short duration heat treatment

“In-line” plant

Heating elements

Time at

temperature/h

0.3-1.0

0.6-2.0

2.0-6.0

6.0-18

1.0-3.0

100-200

0.1-4.0

0.1-4.0

0.1-4.0

12

2000, 8000

0.3-6.0

120-140

0.1-0.3

Cooling rate /

−1

(°C•s)

50

50

50

50

50

50

5

5 / 50

5

0.05

0.05

5

5 / 0.05

5

Industrial power plant

Automotive

Coal fired plant

High temperature process equipment

抗热循环的能力显然优于层状结构的APS-YSZ，

因而成为新一代热喷涂陶瓷隔热层的发展方向。

目前，欧美的一些研究机构和涂层制造商均在研制

开发这种新型陶瓷涂层，美国机械工程协会（ASM

International）的热喷涂协会（TSS）定期举办这一领

域的研讨会，由欧美国家的科研机构交流最新发展

动态。近年得到大力发展的HVOF-MCrAlY金属

黏结层的成分和结构类似于高温性能出色的

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

第 1 期

(a)

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层：回顾与展望

(b)

17

APS-YSZ

EB-PVD-YSZ

100 μm

(c)(d)

100 μm

DVC-YSZ

SPS-YSZ

图 1 陶瓷隔热层

SPS-YSZ

[10]

100 μm100 μm

　（a）层状结构的APS-YSZ；（b）柱状结构的EB-PVD-YSZ；（c）柱状结构的DVC-YSZ；（d）柱状结构的

Fig. 1 YSZ layers 　（a） layer-structured APS-YSZ; （b） columnar-structured EB-PVD-YSZ; （c） columnar-structured

DVC-YSZ; （d） columnar-structured SPS-YSZ

[10]

VPS/LPPS-MCrAlY，它的表面粗糙度低于APS-

MCrAlY和VPS/LPPS-MCrAlY，更适合用作DVC-

YSZ和SPS-YSZ新型陶瓷隔热层的金属黏结层。

因此，HVOF-MCrAlY + DVC-YSZ/SPS-YSZ被视

作新一代航空发动机和工业燃气轮机用热喷涂热

障涂层，有可能同目前国内使用的多弧离子镀AIP-

PVD-MCrAlY + EB-PVD-YSZ

高的要求（表4）

界面附近产生裂纹的同时，TGO/MCrAlY界面也会

发生裂纹形成与扩展

[24]

，这一现象在MCrAlY中

Al含量较高和界面较平直的时候尤为严重，导致涂

层过早失效，因此，MCrAlY黏结层的抗氧化能力

并非决定热喷涂热障涂层寿命的唯一因素，氧化层

的抗脱落能力对热障涂层的寿命也具有非常重要

的影响。

在HVOF-低Al-MCrAlY + APS-YSZ TBC中，

涂层失效主要是由于MCrAlY脱Al在TGO层中

形成混合氧化物，促进了YSZ/TGO界面区域以及

TGO中的裂纹扩展；但是，在HVOF-高Al-MCrAlY +

APS-YSZ TBC中，裂纹很可能沿着较平滑的Al

2

O

3

-

TGO/MCrAlY界面形成并扩展，并同YSZ/TGO附

近的裂纹相连，引起涂层过早失效（图2）

[24]

[11-12]

进行竞争。根

据热障涂层的发展趋势，对金属黏结层也提出了更

[13-14]

。

2

M

CrAlY金属黏结层的发展

在高温环境中，MCrAlY与YSZ的界面将形成

一层热致生长氧化层（TGO），减缓MCrAlY的继续

氧化，但是，APS/VPS/LPPS-MCrAlY + APS-YSZ热

障涂层中，裂纹大多形成于YSZ/TGO的界面或是

界面附近的YSZ层中（图2）

致涂层失效的主要原因之一

[15-16]

。由于

TGO与MCrAlY之间的热膨胀系数（CTE）差，从

高温冷却时因热膨胀不匹配在TGO/MCrAlY界面

产生应变形成一个拉应力，造成裂纹的扩展，尤

其是在粗糙度较低的HVOF-MCrAlY与Al

2

O

3

-TGO

的界面。因Al

2

O

3

和MCrAlY之间CTE差造成的

应变约为0.5%～1.1%（表5）

[5,25-28]

[5]

，一般认为TGO

的生长造成YSZ/TGO界面附近的裂纹扩展，是导

[17-23]

。为了减缓YSZ/

TGO界面附近的裂纹扩展，通常提高MCrAlY中

Al的含量和/或添加耐火元素，比如Ta或Re，在

MCrAlY表面形成生长速度缓慢的连续且致密的

Al

2

O

3

-TGO，改善热障涂层的使用寿命。而在HVOF-

MCrAlY + APS-YSZ热障涂层中，在YSZ/TGO的

。此外，商用

MCrAlY涂层基本都是γ-Ni + β-NiAl结构，冷却时

MCrAlY中的β-NiAl会发生B2 → L1

0

马氏体转

变

[29]

，造成大约0.7%的应变。

增加MCrAlY层的表面粗糙度可以改善表面

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

18

航　空　材　料　学　报

表 4 新型金属黏结层的发展需求

[13-14]

[13-14]

第 42 卷

Table 4 Development requirements for new metallic coatings

Requirement for new bond coatAero-engineIndustrial gas turbine

Oxidation resistance by forming a slow growing, non-porous, continuousFiring temperature 1650 °C,Firing temperature 1300 °C,

and adherent α-Al

2

O

3

scale layer (TGO)max bond coat temperaturemax bond coat temperature

1100-1150 °C1050-1100 °C

Minimal interdiffusion with the substrate to minimize Al depletionExpectedExpected

Less criticalMinimize upward diffusion of refractory elements to avoid formation ofExpected

‘secondary reaction zone’ (SRZ) below the bond coat on the newer

generation of Ni base superalloys

Minimally affected by impurities such as S, C, etcCriticalCritical

Less critical

Expected

Less critical

Expected

Minimal strain misfit with the substrate resulting from thermal expansionExpected

differences

Minimum imperfection along YSZ/bond coat interface

High creep strength to suppress plasticity/rumpling effect

Expected

Expected

Compatibility with the processes to coat internal cooling passages of theExpected

blade

Cost controlMinimum use of expensiveMinimum use of expensive

elements such as Pt, Re, Ruelements such as Re and Ta

and Pd

Expected

Less critical

Less critical

Less critical

High H

2

fuel blends

Less critical

Expected

Expected

Expected

Expected

High H

2

fuel blends and

heavy fuel oil (HFO)

Compatibility with 1-2 mm

thick YSZ

Compatibility with “low K” TBC formulations and processes

Very large parts, VPS/LPPS/EB-PVD cannot be used

Compatibility with SPS and SPPS processes

Compatibility for dense-segmented TBC processes

Compatibility for special fuel

Thicker layers and longer service intervals, 30000-40000 h

(a)

APS-YSZ

(b)

APS-YSZ

(c)

APS-YSZ

APS-NiCrAlY

[15,24]

50 μm

HVOF-CoNiCrAlY

50 μm

HVOF-NiCoCrAlY

50 μm

图 2 热障涂层中的裂纹　（a）YSZ/TGO界面（APS-NiCrAlY + APS-YSZ）；（b）YSZ/TGO界面（HVOF-CoNiCrAlY +

APS-YSZ）；（c）TGO/NiCoCrAlY界面（HVOF-NiCoCrAlY + APS-YSZ）

Fig. 2 Cracks in TBCs

　 （a） in the vicinity of YSZ/TGO (APS-NiCrAlY + APS-YSZ); （b） in the vicinity of YSZ/TGO

(HVOF-CoNiCrAlY + APS-YSZ); （c） in the vicinity of TGO/NiCoCrAlY (HVOF-NiCoCrAlY + APS-YSZ)

[15,24]

氧化层的抗脱落能力，提高热障涂层寿命，比如对

HVOF-MCrAlY表面进行激光处理和表面喷砂

涂层（flash coat）”的APS-MCrAlY

[32]

[30-31]

间的结合力，避免TGO过早脱落，达到提高热障涂

层寿命的目的；但是，表面喷砂可能会对MCrAlY

表面造成污染，降低界面的结合强度；而激光表面

处理和添加“快覆涂层”（flash coat）将会增加涂

层生产过程的复杂性，提高制造成本。

在高Al的HVOF-MCrAlY表面增加一层Al

含量相对较低的HVOF-MCrAlY，从而得到既有较

，

以及在HVOF-MCrAlY表面增加一层称作“快覆

（图3），既能

够提高MCrAlY中Al的含量以形成生长速度缓

慢、连续且致密的Al

2

O

3

-TGO，减轻YSZ/TGO界

面附近的裂纹扩展，又可以增加TGO/MCrAlY之

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

第 1 期

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层：回顾与展望

表 5 热障涂层中构成相和一些氧化物的物理性能

[5,25-28]

[5,25-28]

19

Table 5 Physical properties of the constituent phases and some oxides in TBCs

Alloy /

Oxide

MCrAlY

Typical Ni superalloys

ZrO

2

- 8% Y

2

O

3

Al

2

O

3

3Al

2

O

3

+ 2SiO

2

, mullite

Cr

2

O

3

HfO

2

SiO

2

Ta

2

O

5

TiO

2

Y

2

O

3

ZrO

2

Density /

-3

(g•cm)

9

9

5.8

3.69

2.8

5.2

9.68

2.2

8.2

3.97

5.01

5

Melting point /

°C

1260

1260

2600

2072

2435

2758

1710

1872

1830

2425

2550

Max use temperature /

°C

1260

1700

1650

1100

1567

2000

1000

Hardness /

GPa

11.8

10.7

9.5

4.5 - 9.5

6

9.33

≈10

5.5

Fracture toughness /

1/2

(MPa•m)

1.8 - 2.4

3.5

2

0.62 - 0.67

2.4 - 3.3

2.5

1

CTE /

−6−1

(10• °C)

13.5 - 19.0

15 - 18

11

8.0 - 9.5

5.4

7

6

0.55

3.6

8.4 - 11.8

7.9 - 8.2

12.2

(a)

APS-Amdry 365

YSZ

(b)

Epoxy

APS-Amdry 386

HVOF-Amdry 365HVOF-Amdry 386

Alloy 247

50 μm

[32]

Alloy 247

50 μm

图 3 “快覆涂层”双层黏结层（a）APS-NiCoCrAlY/HVOF-NiCoCrAlY；（b）APS-NiCoCrAlYHfSi/HVOF-NiCoCrAlYHfSi

[32]

Fig. 3 Dual-layer “flash coat” bond coat

NiCoCrAlYHfSi

　 （a） APS-NiCoCrAlY/HVOF-NiCoCrAlY; （b） APS-NiCoCrAlYHfSi/HVOF-

好的抗氧化能力又有较好的抗氧化层脱落能力的

双层HVOF-MCrAlY黏结层（图4）

[33]

涂层失效，以延长热障涂层的工作寿命。而在靠近

YSZ隔热层的HVOF-低Al-MCrAlY层中加入Al

2

O

3

颗粒

[34-35]

。靠近YSZ

层的低Al-MCrAlY具有较好的抗氧化层脱落能

力，而高Al的HVOF-MCrAlY层作为供Al层，为

TGO生长脱Al的HVOF-低Al-MCrAlY层补充Al，

避免Al

2

O

3

-TGO过早转化为混合氧化物层而致使

(a)

HOT GAS

(b)

（图5），称为氧化物弥散强化（ODS）

MCrAlY黏结层，使热喷涂热障涂层的高温寿命得

到了进一步的提升。但是，此种双层MCrAlY的应

用也将增加涂层制作过程的复杂性，提高生产成

YSZ

TGO

Spallation resistant (HVOF-low Al-MCrAlY)

Oxidation resistant (HVOF-high Al-MCrAlY)

Superalloy

Layer

Mass fraction%

CoCr

14-18

5.5-7.0

11-14

Al

11-13.5

9.0-11

7.5-9.5

Hf

0.1-0.4

0.2-0.6

0.1-0.5

Y

0.4-0.8

0.3-0.7

0.2-0.6

0.1-0.3

0.1-0.3

0.1-0.2

0.1-0.2

3.0-6.03.0-5.01.1-1.7

SiZrTaWMo

δ/μm

Oxidation

resistant layer

20-24

Spallation

10-13

resistant layer

11-14

12.7-177.8

6.35-177.8

图 4 抗氧化+抗脱落的双层HVOF-MCrAlY黏结层

[33]

　（a）示意图；（b）化学成分

Fig. 4 Oxidation resistant and spallation resistant dual-layer HVOF-MCrAlY

　 （a） schematic diagram; （b） chemical composition

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

[33]

20

(a)

Hot gas

航　空　材　料　学　报

4096

S

e

r

v

i

c

e

l

i

f

e

/

c

y

c

l

e

(b)

VPS, no ODS

HVOF, no ODS

VPS, ODS

HVOF, ODS

第 42 卷

YSZ

TGO

HVOF-ODS-low Al-MCrAlY

HVOF-high Al-MCrAlY

Superalloy

2048

1024

512

11201100

图 5 抗氧化+抗脱落的氧化物弥散强化MCrAlY黏结层

[34]

10801060

T

TGO

/°C

1040

　（a）示意图；（b）热循环寿命

[34]

Fig. 5 Oxidation resistant and spallation resistant HVOF-ODS-MCrAlY bond coat

　 （a） schematic diagram; （b） FCT life

本。目前，制作耐氧化-抗脱落的单层HVOF-高Al-

MCrAlY涂层仍然是一个挑战。

采用ODS-MCrAlY的热障涂层寿命提高的原

因尚不明确。首先，TGO在生长过程中遇到MCrAlY

中的Al

2

O

3

颗粒时，可能会致使TGO/MCrAlY界面

的粗糙度增大，减缓界面裂纹的扩展；其次，由于

Al

2

O

3

的CTE值比MCrAlY低（表5），ODS-MCrAlY

黏结层很可能会具有比MCrAlY黏结层低的CTE

值，从而降低了Al

2

O

3

-TGO和ODS-MCrAlY之间

的热膨胀不匹配，因此减小了冷却过程中Al

2

O

3

-

TGO/ODS-MCrAlY界面上的应力；第三，弥散分布

的Al

2

O

3

颗粒能减缓MCrAlY中的Y和/或Al元

素向TGO扩散，减少TGO层中粗大的活性元素偏

[35]

析氧化物的形成，从而降低由于活性元素引起的

加速氧化或TGO的生长速度。

在改善TGO/MCrAlY界面的结合强度以提高

热障涂层使用寿命的同时，以高温合金中主要构成

[36]

相γ-Ni和γ′-Ni

3

Al相为基的“EQ涂层”

也得

到了开发，以避免在金属黏结层和高温合金基体之

间生成含有近于垂直于黏结层/高温合金界面的拓

扑密堆（TCP）相的二次反应区（SRZ），从而造成基

体高温力学性能的损伤。EQ涂层因具有同高温合

金基体中的γ-Ni或γ′-Ni

3

Al相的相同成分，有效地

避免了在金属涂层/高温合金界面附近形成SRZ，

这可能是由于耐火元素在γ-Ni和γ′-Ni

3

Al相中的

[37]

固溶度远远低于在β-NiAl相中的固溶度，消除

MCrAlY中的β-NiAl相有利于阻止高温合金基体

中的耐火元素向γ-Ni和γ′-Ni

3

Al相的MCrAlY层

中扩散。但是，由于EQ涂层中的Al含量较低，很

难为高温合金基体提供长期的有效保护（图6）。

(c)

(a)

Amdry9954 (CoNiCrAlY)

SRZ

~90 μm

SRZ

~140 μm

(b)

TMBC-1 (γ′ EQ coating)

Sample

Mass fraction%

Co

5.8

5.6

6.2

CrMoWAlTaHfReRuY

−

−

0.1

0.5

Diffusion zone

~40 μm

TMS-138A

TMS-196

TMBC-1 (RenéN5γ′-Re+Y)

Amdry 9954

3.2

2.8

5.6

5.7

5.6

0.1

5.8

3.6

4.6

2.4

5.0

5.6

5.6

0.1

6.4

5.0

4.0

1.0

4.5

8.1

9.9

0.4

−

−

8.0

−

−

−

−

−

−

TMS-138A

100 μm

TMS-138A

100 μm

[37]

38.5

21.0

图 6 1100 ℃/300 h后涂层/基体界面形貌和成分　（a）CoNiCrAlY涂层/基体；（b）EQ涂层/基体；（c）涂层化学成分

[37]

Fig. 6 Morphologies and chemistry composition of coating/substrate interface after 300 h at 1100 °C

substrate; （b） EQ coating/substrate; （c） chemical composition

　（a） CoNiCrAlY/

在金属涂层与高温合金基体之间引入一层或

数层TCP（σ）相的扩散阻挡层可避免形成SRZ

[38]

为能够解决单一HVOF-MCrAlY涂层难以同时具

有抗氧化能力和抗过早失效的问题。不过，此方法

需要电镀涂覆σ层，不但增加了涂层制备过程的复

杂性，也可能对环境造成一定的影响。

因此，一个多层结构的MCrAlY黏结层（图7）

应当能够满足防止或减缓YSZ/TGO界面及其附

近YSZ层中的裂纹扩展和TGO/MCrAlY界面的裂

。

最初人们认为脆性的σ层可能会在σ层与高温合

金基体之间的界面上引发裂纹形成并沿着界面扩

展，导致涂层的过早失效；但是，实验数据显示这

种σ相扩散阻挡层有利于提高高温合金的蠕变抗

力。HVOF-MCrAlY与扩散阻挡层的同时使用被认

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

第 1 期

(a)

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层：回顾与展望

Thermal insulating layer 2

#

dense APS-/cascade APS-/HVAF-YSZ, resistant to heat and erosion

Thermal insulating layer 1

#

columnnar DVC-/SPS-YSZ, resistant to thermal cycling

Metallic bond coat 3

#

HVOF-low Al-MCrAlY, resistant to oxide scale spallation

Metallic bond coat 2

HVOF-high Al-MCrAlY, resistant to oxidation

#

21

(b)

Thermal insulating layer 2

#

dense APS-/cascade APS-/HVAF-YSZ, resistant to heat and erosion

Thermal insulating layer 1

#

columnnar DVC-/SPS-YSZ, resistant to thermal cycling

Metallic bond coat

composite-structured, low CTE, HVOF-high Al-MCrAlY

oxidation, spallation and SRZ resistant

Metallic bond coat 1

#

HVOF-low Al-MCrAlY or DBC, resistant to diffusion between BC 2

#

and substrate

Superalloy substrateSuperalloy substrate

图 7 新型MCrAlY黏结层示意图　（a）多层MCrAlY黏结层；（b）单层复合材料结构MCrAlY黏结层

Fig. 7 Schematic illustrations of new MCrAlYs 　（a） multilayer MCrAlY; （b） single layer composite MCrAlY

纹扩展，并防止在MCrAlY和高温合金基体之间形

成危害力学性能的SRZ区，从而提高热喷涂热障

涂层的使用寿命。其中，含Al量较低的黏结层

3

在保证生成Al

2

O

3

-TGO的同时，防止在YSZ/TGO

和TGO/MCrAlY界面附近的裂纹扩展，含Al量较

高的黏结层2保证向黏结层#3补充Al，避免黏结

层#3过早因TGO生长脱Al而失效，含Al量较低

的黏结层1或扩散阻挡层防止SRZ的生成，并减

缓Al向高温合金基体中扩散。但是，这种多层

MCrAlY黏结层势必将增加涂层制作工艺的复杂

性，提高热障涂层的生产成本。

黏结层中Al的含量和添加耐火元素形成一个生长

速度缓慢、连续且致密的Al

2

O

3

-TGO得以改善。

其次需要防止或减缓TGO/MCrAlY界面附近的裂

纹扩展，这可由降低MCrAlY的CTE值以减少TGO/

MCrAlY界面因热膨胀不匹配引起的应变，和降低

MCrAlY中的β-NiAl相以降低因冷却过程中B2 →

L1

0

马氏体相变引起的应变得以缓解。

因此，具有耐氧化和抗氧化层脱落能力并能够

减少SRZ形成的MCrAlY黏结层是一种热膨胀系

数接近于Al

2

O

3

，低β-NiAl相含量或者是近γ′-

Ni

3

Al相结构和高Al含量的MCrAlY。对国际市

场现有MCrAlY成分的分析（表6）发现存在一个

参数ϕ，有较好抗脱落能力的MCrAlY的ϕ值均低

于0.5，大数据分析显示可以通过调整MCrAlY的

成分得到ϕ值为0.05～0.2而Al含量超过10%的

MCrAlY。可以预期，当MCrAlY中Al含量较高而

ϕ值较低时，MCrAlY能同时具有较好的耐氧化和

[24]

[24]

#

#

#

3

M

CrAlY金属黏结层的成分设计

综上所述，提高MCrAlY + YSZ热喷涂热障涂

层的使用寿命首先需要防止或减缓YSZ/TGO界面

及其附近YSZ层中的裂纹扩展，这可由提高MCrAlY

表 6 商用MCrAlY的ϕ值

Table 6 ϕ value of some commercial MCrAlYs

Composition/ %

MCrAlY

Amdry 365

Amdry 386

Amdry 962

Amdry 963

Amdry 964

Amdry 995

Amdry 997

Spallation resistant

Spallation resistant

[33]

[33]

Al

12

12

10

6

11

8

8.5

Ta

4

W

Mo

Y

0.5

0.5

1

0.4

0.6

0.5

0.6

Hf

0.5

Zr

Si

0.4

ϕ estimated

Co

23

22

Bal

23

NiCr

Bal.17

Bal17

Bal22

Bal24.5

Bal31

3221

　0.6-0.8

　0.6-0.8

　0.3-0.5

　0

　0.5-0.7

　0.4-0.6

　0.4-0.6Bal20

10-13Bal5.5-7.09.0-113.0-6.03.0-5.01.1-1.70.3-0.70.2-0.60.1-0.20.1-0.3　0.2-0.5

11-14Bal11-137.5-9.5　　　0.2-0.60.1-0.50.1-0.20.1-0.3　0.1-0.4

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

22

[24]

航　空　材　料　学　报

第 42 卷

抗脱落的能力。回归分析结果显示，MCrAlY的

ϕ值可由下式进行估算

ϕ≈

∑

an overview[J]. Surface and Coatings Technology，

1987，30：1-11.

［3］

MEIER S M，GUPTA D K，SHEFFLER K D. Ceramic

:

a

i

×X

i

+C

thermal barrier coatings for commercial gas turbine

engines[J]. Journal of Metals，1991，43：50-53.

［4］

GOWARD G W. Progress in coatings for gas turbine air-

式中：X

i

为元素i的含量；a

i

为元素i对ϕ值的影响

因子，a

Al

> a

Si

> a

Zr

> a

Cr

> a

W

> a

Co

> a

Y

> a

Re

> a

Ta

> a

Mo

> a

Ti

> a

Hf

；C为常数。

获得热膨胀系数接近于Al

2

O

3

的MCrAlY只

能通过添加CTE值较低的陶瓷颗粒实现，在

MCrAlY中添加耐火元素只能有限度地降低MCrAlY

在中、低温区域的CTE值，对700 ℃以上高温时

的CTE值几乎没有什么影响，而一些陶瓷材料也

仅在中、低温区域具有较低的CTE值。

这种复合材料结构的低ϕ值高Al含量的

MCrAlY黏结层（图7）不但能够减缓YSZ/TGO和

TGO/MCrAlY界面及其附近的裂纹扩展，也能在一

定程度上降低高温合金中的耐火元素向涂层方向

扩散，减少SRZ的形成，延缓部件高温力学性能的

损伤。单层复合材料结构的MCrAlY黏结层将不

会增加涂层制作的复杂性，因而不会提高生产成

本，符合更好涂层性能、更低制造成本的要求。

foils[J]. Surface and Coatings Technology，1998，

108/109：73-79.

［5］

PADTURE N P，GELL M，JORDAN E H. Thermal bar-

rier coatings for gas-turbine engine applications[J]. Sci-

ence，2002，296：280-284.

［6］

OERLIKON METCO. Metco materials E-guide

[EB/OL]. [2021-11-20]. /

en-us/materials-e-guide.

［7］

NICHOLLS J R，BENNETT M J. Cyclic oxidation -

guidelines for test standardization, aimed at the assess-

ment of service behavior[J]. Materials at High Temperat-

ures，2000，17（3）：413-428.

［8］

MADHWAL M，JORDAN E H，GELL M. Failure mech-

anisms of dense vertically-cracked thermal barrier coat-

ings[J]. Materials Science and Engineering：A，2004，

384：151-161.

［9］

TANG Z，KIM H，YAROSLAVSKI I，et al. Novel

thermal barrier coatings produced by axial suspension

4 未来发展趋势

航空发动机和工业燃气轮机热端部件用热喷

涂热障涂层中金属黏结层正朝着长寿命、低成本、

适用于新燃料的方向发展。为了达到这一目标，新

型金属黏结层应同时具有耐高温氧化和抗脱落的

性能，并能够避免与高温合金部件基体发生互扩散

形成危害部件高温力学性能的SRZ。因此，MCrAlY

表面处理、双层黏结层和扩散阻挡层以及其他新的

手段仍然有待发展，而复合材料结构的、CTE值接

近Al

2

O

3

的低ϕ值高Al含量的MCrAlY黏结层似

乎更有利于达到这些目标，且不会增加涂层制作过

程的复杂性，有利于控制生产成本，很可能将成为

航空发动机和工业燃气轮机制造商、涂层制造商和

科研院所努力的方向。此外，大数据分析或能有助

于新型MCrAlY黏结层的成分设计，加快研发速

度，减少实验数量，促进航空发动机和工业燃气轮

机用热障涂层的发展。

plasma spray [C] // Proceedings of International Thermal

Spray Conference and Exposition. Hamburg，Germany：

[s. n. ]，2011.

［10］

LIMA R S，CHEN W R. APS，SPS and EB-PVD YSZ

TBCs：comparing the erosion wear performance [C] //

SURFTEC Meeting. Boucherville，Quebec，Canada：[s.

n. ]，2012.

［11］

SHEN Z，LIU Z，LIU G，et al. GdYbZrO thermal barrier

coatings by EB-PVD: phase, microstructure, thermal

properties and failure[J]. Surfaces and Interfaces，2021，

24：101123.

［12］

SHEN Z，LIU G，MU R，et al. Effects of Er stabilization

on thermal property and failure behavior of Gd

2

Zr

2

O

7

thermal barrier coatings[J]. Corrosion Science，2021，

185：109418.

［13］

POLLOCK T M，LIPKIN D M，HEMKER K J. Multi-

functional coating interlayers for thermal-barrier

systems[J]. MRS Bulletin，2012，37：923-931.

［14］

DAROLIA R. Thermal barrier coatings technology: crit-

ical review, progress update, remaining challenges and

prospects[J]. International Materials Reviews，2013，

58（6）：315-348.

［15］

CHEN W R，WU X，MARPLE B R，et al. Oxidation and

参考文献：

［1］

BENNETT A. Properties of thermal barrier coatings[J].

crack nucleation/growth in an air-plasma-sprayed thermal

barrier coating with NiCrAlY bond coat[J]. Surface and

Coatings Technology，2005，197：109-115.

Materials Science and Technology，1986，2：257-261.

［2］

MILLER R A. Current status of thermal barrier coatings:

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

第 1 期

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层：回顾与展望

23

［16］

TRUNOVA O，BECK T，HERZOG T R，et al. Damage

［28］

AZO MATERIALS. Alumina - aluminum oxide - Al

2

O

3

：

mechanisms and lifetime behavior of plasma sprayed

thermal barrier coating systems for gas turbines - part I:

experiments[J]. Surface and Coatings Technology，

2008，202：5027-5032.

［17］

MILLER R A，LOWELL C E. Failure mechanisms of

a refractory ceramic oxide[EB/OL]. [2021-11-20].

www. azom. com/article. aspx?ArticleID=52.

［29］

CHEN M W，GLYNN M L，OTT R T，et al. Characteriz-

ation and modeling of a martensitic transformation in a

platinum modified diffusion aluminide bond coat for

thermal barrier coatings[J]. Acta Materialia，2003，51：

4279-4294.

［30］

TOMA F L. Advanced ceramic coatings by combination

thermal barrier coatings exposed to elevated temperat-

ures[J]. Thin Solid Films，1982，95：265-273.

［18］

DEMASI-MARCIN J T，SHEFFLER K D，BOSE S.

Mechanism of degradation and failure in a plasma depos-

ited thermal barrier coating，ASME Paper 89-GT-132

[C]∥Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposi-

tion. Toronto，Ontario，Canada：ASME，1989.

［19］

WRIGHT P K，EVANS A G. Mechanisms governing the

of suspension thermal spraying with laser processing

technologies [C] // ASM Thermal Spray of Suspensions

& Solutions Symposium + EBCs 2019 (TS4E 2019).

Boucherville，Quebec，Canada：ASME，2019.

［31］

GUPTA M. Engineering suspension plasma sprayed

performance of thermal barrier coatings[J]. Current

Opinion on Solid State Materials Science，1999，4：255-

265.

［20］

RABIEI A，EVANS A G. Failure mechanisms associated

thermal barrier coatings for high lifetime [C] // ASM

Thermal Spray of Suspensions & Solutions Symposium +

EBCs 2019 (TS4E 2019). Boucherville，Quebec，

Canada：ASME，2019.

［32］

PINT B A，LANCE M J，HAYNES J A，et al. Effect ofwith the thermally grown oxide in plasma-sprayed

thermal barrier coatings[J]. Acta Materialia，2000，48：

3963-3976.

［21］

EVANS A G，HE M Y，HUTCHINSON J W. Mechanics-

APS flash bond coatings on furnace cycle lifetime of

disks and rods [C] // ASME Turbo Expo 2019：Turboma-

chinery Technical Conference and Exposition. Phoenix，

Arizona，USA：ASME，2019.

［33］

TRYON B S，LITTON D A，ZIMMERMAN B J，et al.

based scaling laws for the durability of thermal barrier

coatings[J]. Progress of Materials Science，2001，46：

249-271.

［22］

EVANS A G，MUMM D R，HUTCHINSON J W，et al.

Multi-layer metallic coating for TBC systems：

US8497028B1[P]. [2013-07-30].

［34］

VASSEN R，BERGHOLZ J，MACK D E，et al. Adhe-Mechanisms controlling the durability of thermal barrier

coatings[J]. Progress of Materials Science，2001，46：

505-553.

［23］

SCHLICHTING K W，PADTURE N P，JORDAN E H，

sion promoter layer for joining a high-temperature protec-

tion layer to a substrate，and method for producing same：

US 2019/0047253A1[P]. [2019-02-14].

［35］

VORKOTTER C，MACK D E，GUILLON O，et al. Failure modes in plasma-sprayed thermal barrier

coatings[J]. Materials Science and Engineering:A，2003，

342：120-130.

［24］

CHEN W R. Design and development of MCrAlY bond

Superior cyclic life of thermal barrier coatings with

advanced bond coats on single-crystal superalloys[J].

Surface and Coatings Technology，2019，361：150-158.

［36］

HUANG T，BERGHOLZ J，MAUER G，et al. Effect ofcoats for gas turbine applications [C] //International Con-

ference of Non-Ferrous Materials. Nanning，China：[s. n. ],

2021.

［25］

HUNTZ A M，ANDRIEUX M，VAHLAS C，et al. Phase

test atmosphere composition on high-temperature oxida-

tion behavior of CoNiCrAlY coatings produced from con-

ventional and ODS powders[J]. Materials at High Tem-

peratures，2018，35：97-107.

［37］

KAWAGISHI K，SATO A，HARADA H. A concept for

transformations of metalorganic chemical vapor depos-

ition processed alumina coatings investigated by in situ

deflection[J]. Journal of the Electrochemical Society，

2007，154（5）：63-68.

［26］

AMERICAN ELEMENTS. Oxides[EB/OL]. [2021-11-

the EQ coating system for nickel-based superalloys[J].

Journal of Metals，2008，7：31-35.

［38］

NARITA T. The diffusion barrier coating system concept

20]. www. americanelements. com/oxides.

［27］

ACCURATUS. Mullite ceramic properties[EB/OL].

for high temperature applications [C] // Proceedings for

COM 2010 Aerospace Symposium. Vancouver，Canada：

[s. n. ]，2010.[2021-11-20]. www. accuratus. com/mullite.

Copyright©博看网. All Rights Reserved.

24

航　空　材　料　学　报

第 42 卷

Metallic bond coats for thermally-sprayed thermal barrier coatings applied to

aero-engines and industrial gas turbines: review and prospect

CHEN Weijie, SONG Peng, GAO Dong, WANG Chao

1*123

（1. Faculty of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China；2.

R&D Center, Dept. of Materials and Technology, AECC Commercial Aircraft Engine Co. Ltd., Shanghai 200241, China；3. Institute

for Gas Turbines, Shanghai Electric Co. Ltd., Shanghai 200240, China）

Abstract: The MCrAlY bond coats used for thermally-sprayed thermal barrier coatings applied to aeroengines and industrial gas

turbines are reached their temperature limits. The further development is aiming to extend service life, low production cost and

compatibility with new fuels. The new MCrAlYs have to be oxidation resistant and spallation resistant, and able to prevent SRZ

formation caused by the diffusion with superalloy substrate, and to avoid the damage of thermo-mechanical properties. This paper

reviewed recent developments in this area, and proposed a composite structured low-β / near-γ′ type MCrAlY with a very low ϕ

value and CTE closed to Al

2

O

3

to achieve the target. This approach may be cost effective, and more attractive to aeroengine and

industrial gas turbine manufacturers, as well as coating developers and research institutions. Meanwhile, big data analysis will help to

design new coating composition, speed up the development process and reduce R&D cost, lead to the findings of more durable

thermal barrier coatings for aeroengine and industrial gas turbine applications.

Key words: gas turbine；thermal barrier coating；metallic bond coat；durability；low cost；alloy design

（责任编辑：徐永祥）

Copyright©博看网. All Rights Reserved.