导读：为啥有人说燃气轮机是世界上最难造的机器？难题之一：它工作时燃烧室的温度可达1600度！速度堪比龙卷风的高温气体还会在内部不断冲击。如何让燃机抵抗这样的考验？西门子研发出隔热层，而它的主要材料竟然是喜闻乐见的——陶！瓷！不信？有视频有真相，看西门子发明家大叔为您解读。
热障涂层简介
热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）通常由金属粘结底层和陶瓷面层组成，粘结底层通常采用MCrAlY（M为Ni、Co或Ni+Co）合金，主要担负着过渡热不匹配、抗氧化、抗腐蚀的多重功效，而陶瓷面层通常采用Y2O3稳定的ZrO2，主要起隔热作用，因其具有良好的抗高温氧化性、抗冲刷性和隔热性等特点，已成为目前国内外地面重型燃气轮机最先进的高温防护涂层之一。
燃机上应用
热障涂层具有良好的隔热效果和抗高温氧化性能，应用于燃气轮机可以显著提高高温部件的使用温度，延长部件寿命,节省燃料，提高效率。特别是燃气轮机热端部件，如火焰筒、过渡段、喷嘴、涡轮叶片等核心部件，通常采用镍基高温合金材料，涡轮叶片等高温部件经历锻造、铸造、定向结晶和单晶等工艺后，使用空气冷却系统和冷却通道的改进也只能获得有限的冷却效果，再提高其高温性能的空间已十分有限，因此必须对其采用高温隔热（如涂敷热障涂层）防护措施。
而通过在高温部件上制备一层300～500μm热障涂层可以有效降低金属基体的工作温度,显著提高燃气轮机的效率、减少燃油消耗、延长使用寿命,因此得到了广泛的应用。
而燃气轮机的高温部件是决定燃气轮机寿命的关键部件,它们不仅工作温度高,而且还承受燃气轮机在起动和停机时因温度剧烈变化引起的热冲击,工作条件非常恶劣。火焰筒是燃烧室的重要组成部分, 燃料在火焰筒中与空气混合燃烧,火焰区的温度高达1800℃～2000℃,因此,对TBC隔热性能要求最高, 同时还要求有很好的抗高温氧化能力和抗热震能力。
过渡段也在高温燃气下工作，过渡段周围必须有强大的冷却空气流，这样就会造成燃气与过渡段金属之间有数百摄氏度的温差，所以用在过渡段的TBC不但隔热、抗氧化性能要好,还要求有更好的抗热震性能。透平叶片在高温氧化环境下工作，同时还承受较高的热应力和机械应力。静叶片是透平中温度最高的部件，内部的冷却气流非常强烈，造成了静叶片的极度冷热不均匀，也成为承受热冲击最厉害的部件。
同时，随着运行时间的延长，燃气中携带的高温腐蚀物会逐渐沉积在静叶片的表面，因此静叶片上的TBC要求有很好的抗高温腐蚀性能。动叶片在高温下要承受很大的离心力，是透平中工作条件最恶劣的部件，用在动叶片上的TBC不但要有很好的隔热、抗高温氧化、抗热震性能，而且要有很好的抗蠕变、热疲劳、机械疲劳性能。
热障涂层发展历史
1963年普惠公司第一次把TBC用在JT8D型燃气轮机的火焰筒中, 如今GE公司和普惠公司已广泛将TBC用于许多燃气轮机的高温部件, 如火焰筒、叶片、过渡段等。
从上世纪40年代末50年代初发展至今，热障涂层制备工艺不断改进。当今，制备热障涂层最成熟的方法是大气等离子喷涂，同时还包括超音速火焰喷涂、电子束物理气相沉积、低压等离子喷涂、高频脉冲爆炸喷涂等。
目前使用的热障涂层一般是由顶部陶瓷层(Top Coating)和底部的金属粘结层(Bond Coating)组成。陶瓷层主要用来隔热, 必须满足热导率低, 抗热震性能好的指标，所以要求陶瓷层材料具有熔点高、高温下相稳定、热导率低、热反射率高等物理化学特性，同时要考虑其热膨胀系数与基体材料匹配。金属粘结层则用于防止金属基体的高温氧化, 并缓解陶瓷层和金属基体的热膨胀不匹配。另外, 由于粘结层长期高温使用的氧化, 粘结层和陶瓷层之间会生成一层氧化物, 即热生长氧化物(Thermally Grown Oxide，简称TGO)。
国外先进燃机热端部件粘结底层多采用超音速火焰喷涂技术和低压等离子喷涂技术，陶瓷面层多采用大气等离子喷涂技术。先进燃气轮机涡轮叶片上热障涂层的制备多为电子束物理气相沉积技术或者超音速火焰喷涂和等离子喷涂复合工艺，其中西门子公司生产的透平叶片便是选择后者复合工艺，而国内热障涂层粘结底层和陶瓷面层大多均采用等离子喷涂技术。
