涂层隔热性能测试方法分析
对于航空发动机、燃气涡轮机等高温工况下服役的零部件，通常会利用热障涂层（ＴＢＣｓ）优异的隔热性能来充分降低金属基体的实际工作温度，进而达到显著提高使用性能和寿命的目的。陶瓷材料具有优异的隔热性能（如 ＺｒＯ２ 热导率λ为２．１２ Ｗ／（ｍ·Ｋ）（１２７３Ｋ））［１］，被大量用于热障涂层材料。由于热障涂层具有广泛的应用前景，为了进一步提高其隔热性能，近年来国内外开展了大量的研究工作［２?１３］。通过试验模拟热障涂层服役工况条件来研究热障涂层隔热性能是一种非常有效的途径。为更好评估涂层隔热效果，合理设计热障涂层隔热性能测试方法非常重要。文中主要利用４种不同的测试方法对陶瓷涂层的隔热效果进行了试验测试，并对几种测试方法进行了对比分析，旨在研究不同热障涂层隔热性能测试方法的差异和应用。
１ 试验材料及测试方法
所用试样金属基体材料为 Ｈ１３钢，热障涂层粘结层为 Ｎｉ Ｃｒ合金（厚度０．０５ｍｍ），热障涂层表层陶瓷涂层材料为含质量分数５％ＣａＯ 稳定的ＺｒＯ２。采用ＳＸ ５０００型超音速火焰喷涂设备利用氧 乙炔燃烧为热源，将连续均匀送入火焰中的热障涂层原料棒材端部加热到熔化状态，借助于高压气体将熔化状态的棒材雾化成微粒，喷射到工件表面形成涂层的工艺方法制备表面陶瓷涂层，然后利用金刚石砂轮抛光涂层表面，获得所需厚度的试样。文中采用以下４种测试方法对陶瓷热障涂层的隔热效果进行测试。
方法１：将１００ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍ试样的涂层面分别置于８００ Ｗ 电炉子（炉丝温度１０００ ℃）上，通过电阻丝热辐射加热涂层面，同时利用红外测温仪测量试样背面金属基材温度。
方法２：将１００ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍ试样的涂层面分别置于氧气乙炔火焰（火焰温度＞２０００℃）正上方，试样涂层表面与火焰枪喷嘴距离固定为８５ｍｍ，火焰气流强度始终不变，以避免加热源因素带来的测试误差，通过氧气乙炔火焰直接加热涂层面，并同时用红外测温仪 ＳＴ６７７测量试样位于火焰加热区背面中心部分的金属表面温度。
方法３：以１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×６ｍｍ 试样作为马弗炉顶部盖子，涂层面与炉腔同侧，受炉腔热辐射作用加热试样涂层，同时测试该加热区背面金属表面中部温度，试验中炉温恒为１４００ ℃。方法４：将Φ２０×１００（一侧有Φ８×７０盲孔）试样表面完全喷涂陶瓷热障层，并分别置于管式加热炉（炉温１６００ ℃）内加热６０ｓ后移出风冷，将热电偶插入试样盲孔测温，利用与 Ｋ 型热电偶连接的温度记录仪 ＹＢＪＬ ８０９ ２全程记录试样基体温度变化。
２ 结果与讨论
２．１ 涂层隔热性能测试结果及分析
采用方法１获得了加热过程中涂层厚度分别为无涂层、０．４ｍｍ 和１．１ｍｍ 试样金属基体背面的温度变 化 曲 线 （图 １）。从 试 验 结 果 看，１５０ｓ内，３种涂层厚度获得的隔热效果无明显差别；随试样加热时间延长，无涂层试样金属基体温度在２５０～３００ｓ时间段明显高于有涂层试样金属基体温度；金属基体达到６００℃时３组试样所需时间分别为３００、３９０和４９０ｓ，有涂层试样比无涂层试样升温速度明显降低，说明陶瓷涂层有一定的隔热效果，但因设备简陋，该试验方法只能在一定范围内定性描述陶瓷涂层对电阻丝热辐射有一定的隔热效果，但随加热时间延长，陶瓷层加热和基体背面散热（对流、辐射）逐渐增大，达到平衡，涂层和无涂层试样背面温度趋于一致，难以获得定量的、涂层长期稳定的隔热效果。
图２为采用方法２获得的涂层厚度分别为无涂层、０．４０、０．５０、０．８０和１．００ｍｍ 试样金属基体温度变化曲线。
从试验结果看，涂层越厚，试样加热区背面金属基体的温度越高，达到１０００ ℃所需时间也越长，无涂层的试样经７５ｓ达到１０００ ℃，０．４０ｍｍ涂层试样则需１０５ｓ，１ｍｍ 涂层试样达到１６５ｓ。
图３为方法２试验前后试样表面形貌照片。加热前，试样陶瓷涂层表面呈均匀的淡白色，试样金属基体表面平整且颜色均匀；加热后，试样陶瓷涂层表面加热区域呈红白相间的颜色，由于加热时试样金属基体达到的温度已高于１０００℃，试样金属基体表面出现大量氧化皮。
方法３中，热障涂层将试样金属基体与马弗炉的高温炉腔分隔开，由于热导率非常低，热障涂层有效阻碍了热量传递给试样金属基体。加热时间达到５ｍｉｎ时，试样温度仍不到２００℃（图４），而加热相同时间的无涂层试样，温度已达到７７０℃。有涂层试样的温度变化较为平缓，涂层越厚则金属基体温度升高越慢，这充分说明ＺｒＯ２ 陶瓷涂层具有优异的隔热性能。
图５为采用方法４所得的试验结果。与其他测试方法不同，此试验过程同时记录了试样加热和冷却过程的金属基体温度变化，几种不同厚度涂层试样的温度变化趋势一致。在相同时间内，无涂层试样温度升高和降低的速率明显高于有涂层试样。加热时间为６６ｓ时，不同厚度涂层试样金属基体所达到的温度对比见表１。
从４种热障涂层隔热性能测试结果可以看出，有热障涂层的试样金属基体的升温速率明显低于无涂层试样的升温速率，且有涂层试样的升温速率趋于一致。４组试验中，在０．４～１．１６ｍｍ 涂层厚度范围，涂层越厚则隔热性能越好。
２．２ 测试方法对比分析
４种测试方法获得的热障涂层隔热性能趋势一致，说明这４种测试方法均能在一定程度上反映热障涂层隔热性能，但由于采用热源或加热方式的不同，使热障涂层处于不同状态的环境温度场中，导致４种测试方法存在明显差异。
方法１中，试样处于一个与周围环境全开放（热交换）的空间，电阻丝辐射热流向试样传递热量的同时，试样也通过对流、辐射向外散热，终可达到一热平衡温度（流入的热量等于流出的热量），此时热障涂层两侧温度一致，无法测出平衡时的涂层隔热效果；另一方面，电炉功率有限，辐射热流对表面涂层加热速率相对慢，例如厚０．４０ｍｍ 的热障涂层试样加热７ｍｉｎ时，试样背面的基体温度刚接近６００ ℃。该测试方法简陋，只能定性地描述加热过程中一段时间内不同热障涂层体系（如不同热导率、不同厚度和结构）的区别，应用的科学价值低。
方法２本质上同方法１是一样的，只是火焰焰流直接接触试样涂层表面，热流传递效率大幅提高，试样升温迅速，终的平衡温度也大幅提高。由于温度高，对基体材料氧化现象严重，影响红外测量的准确性。同样，由于测试方法简陋，应用价值较低。
方法３和４与上述两种方法相比，大的区别在于试样背面处于一个半开放的散热环境中，散热量可控，而涂层表面热源传递的热流均匀稳定，可以设定一稳态的热流条件，控制试样表面、背面存在一定的温度差，保证涂层试样处于一定的梯度温度场中，可通过有涂层／无涂层温差法测得涂 层 的 隔 热 效 果，并 可 通 过 检 测 涂 层 热 导率［１４］，结合理论计算和数值模拟建立平面或曲面平板导热模型，获得涂层隔热的计算值，与实际测得的涂层隔热效果进行分析对比。此外，试验过程中可通过热电偶和温度记录仪全程监测和记录试样两侧温度变化。方法３和方法４受加热炉功率（高工作温度）限制，试样很难达到火焰枪那种高温受热状态。因此，这两种测试方法通常情况可用于模拟受热温度不超过２０００ ℃的工况环境（如超高温成形模具的热作件［１５］）。
而方法３与方法４的主要区别在于前者试样背面金属侧暴露在环境空气中，通过界面处与环境气体的对流与热交换形成动态稳定的梯度温度场。方法４加热时试样全部置于管式炉中，属于一种准绝热状态，试样加热时金属基体基本处于吸热状态；当试样从管式炉中取出进行冷却，试样则处于全散热状态。可定量分析热障涂层的热传递和预测基体将达到的温度，这对优选热障涂层制备方法及零部件基体材料都有重要参考价值。
３ 结 论
（１）给出４种隔热性能测试方法，由于热源强弱及试样所处温度场的不同，所得试验结果存在一定差异，后两种测试方法热源传递的热流均匀稳定且测温相对准确，通过理论计算和数值模拟与试验结果结合分析，具有一定科学应用价值。
（２）４种测试方法均可不同程度地反映热障涂层的隔热效果及变化趋势，在接近实际服役工况条件下，可定性评估涂层隔热性能。
