1  前言

提升涡轮进口温度是提升航空发动机推重比的重要途径。国内外研究表明，在维持其他条件不变的前提下，涡轮进口温度每升高50℃，可提升航空发动机推力7%～8%。随着技术不断发展，当前最先进的涡扇航空发动机的涡轮进口温度已经超过1 900K，该温度远超常用高温合金材料的熔点。因此，如何提升航空燃气涡轮发动机热端部件的耐高温性能成为航空发动机发展的焦点问题之一。从20世纪50年代至今，国内外众多科研工作者针对这一问题开展了大量研究，最终形成了提高航空发动机涡轮叶片耐久性与可靠性的3大技术：高温合金等耐高温结构材料技术、高效气冷技术以及热障涂层技术。

热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是利用陶瓷材料低热导、耐高温、耐腐蚀等优越性能，将其以喷涂、沉积等多种方式附着于基体表面，从而提高基体材料的服役性能。发展热障涂层技术，对缩小我国航空发动机与世界先进水平间的技术差距、实现跨代发展具有举足轻重的战略意义，同时对能源、航空、航天等领域也都有重大促进作用。

2  热障涂层性能检测技术研究意义

对于热障涂层而言，涂层表面以及与基体界面性能的好坏直接决定构件整体性能的优劣，准确地涂层性能评价对于涂层构件服役安全可靠性具有重要的意义。国内外曾多次报道，因航空发动机破坏而导致飞行器故障甚至坠毁的事故。据相关机构报道，在我国发生的航空发动机事故中，80%以上都与发动机叶片失效紧密相关，而热障涂层的表面与界面失效破坏正是航空发动机涡轮叶片的主要破坏模式之一。因此，准确评价热障涂层表面与界面性能对于保障航空发动机的服役安全可靠性具有十分重要的意义。

我国重视热障涂层的研究和发展，近几十年来在涂层制备工艺设计研究方面取得了显著的成果，中国科学院沈阳金属研究所、北京航空航天大学、武汉理工大学、西北工业大学等国内重点高校和科研院所等均在各代热障涂层工艺设计方面取得了突破，逐渐缩短了与国外的差距。然而，无论国内还是国外，热障涂层性能测试技术的发展都远落后于涂层制备技术的发展。直到21世纪初，热障涂层的大部分的性能测试仍无标准方法可依。造成热障涂层性能一直以来难以检测的原因主要为：①涂层通常难以从基体上有效剥离进行测试；②即使剥离下来，其厚度也无法加工为标准试样进行各种物理性能测试。为解决热障涂层等陶瓷涂层的性能测试的国际性难题，国际标准化组织组建了陶瓷涂层工作组，面向全世界的高校、科研院所等机构征求涂层性能测试方法。

3  国内外常规热障涂层性能检测技术

目前，国内外常规的热障涂层性能测试评价方式主要包括：

3.1  将涂层从基体上剥离，单独进行测试

由于热障涂层与合金基体构成的复合体材料无法直接测试，部分国内外研究者通过将涂层喷涂厚度增加，喷涂在石墨基体或其他易进行分离的基体上的形式，将涂层材料分离为独立的块体材料进行测试。

北京矿冶科技集团有限公司的高丽华等利用PS—PVD的方式在石墨基体上制备8YSZ热障涂层，采用机械加工设备将石墨基体磨去，测试分离后独立涂层的热扩散系数；意大利罗马卡萨西亚研究中心的Girolamo等采用机械加工的方式将锆酸镧（La2Zr2O7）涂层与基体进行分离，并采用四点弯曲法测试了从1 100～1 500℃的涂层弹性模量；罗马大学的Pulci等将硼化锆（ZrB2）—碳化硅（SiC）—硅化钼（MoSi2）涂层沉积在石墨基体上，采用电火花侵蚀的方式将基体剥离后，测试了500℃、1 000℃、1 500℃条件下涂层的弹性模量。

然而，无论何种剥离涂层的手段都会对涂层本身造成一定的损伤，同时这种方式忽略了基体对涂层性能的影响，使得测得的涂层性能与真实性能之间存在较大的误差。

3.2  采用局部性能来表征涂层整体性能

由于很难实现对涂层整体宏观性能的直接测试，部分研究利用材料表面性能测试技术，例如纳米压痕法等，通过分析涂层表面的局部性能来表征涂层的整体性能。

印度K.S.Rangasamy技术学院的Rajendran等人采用纳米压痕测试技术，对800～1000℃条件下三氧化二铝（Al2O3）–二氧化锆（ZrO2）/二氧化硅（SiO2）涂层的弹性模量进行测试；湘潭大学的毛卫国等人运用纳米压痕法对热障涂层的弹性模量和硬度随温度变化的演变规律进行了研究；北京航空航天大学的齐红宇等应用云纹干涉法与钻孔法结合的光测力学实验方法，研究了等离子热障涂层基体材料镍基高温合金的残余应力。

采用这种方式测得的局部性能可以一定程度上表征均质涂层的整体性能，但对于典型非均质的热障涂层，由于缺陷分布密集，各个局部的性能偏差很大，无法适用。

3.3  利用超声波、X射线衍射等微观测试方法测试涂层性能

通过超声波、X射线衍射等微观测试方法，观察涂层材料微观结构的变化来表征涂层的相关性能。

大连理工大学的顾晓春等人利用超声波法测试3种不同工艺制备的7YSZ涂层的声压反射系数，进而计算出涂层的弹性模量；美国西北大学Jordan等采用X射线衍射法测量了ZrO2—8%Y2O3热障涂层中的应力分布；北京航空制造工程研究所的邹世坤等采用X射线衍射技术测试了激光冲击处理和激光热处理后的ZrO2涂层残余应力分布。

与局部性能测试技术类似，采用微观测试技术仅能评价材料表面微区的性能，并不能揭示涂层整体的性能，不同位置测试材料性能离散性分部大。

3.4  利用复合体性能变化来反映涂层的性能

通过对涂层/基体复合体的性能进行测试，建立复合体性能随涂层工艺变化的规律，以此反映涂层性能的优劣。

国防科技大学的Luo等在1300℃条件下对3Al2O3·2二氧化硅（SiO2）+硅酸铒（Er2SiO5）+氧化铒（Er2O3）涂层/（碳化硅纤维增强碳化硅）SiC—SiC基体进行拉伸试验，测得复合体的应力—应变曲线，来评价涂层高温弹性模量的变化规律；英国剑桥大学的Tsui等通过测试复合体的曲率来监测涂层喷涂过程中涂层内部残余应力的变化规律。

这种方式通过测试涂层/基体复合体的整体力学性能一定程度上可以反映涂层对基体性能的影响，但并未实现单一涂层的力学性能的表征。

4  3步法测试技术及国际标准化应用

针对上述热障涂层性能测试评价方法存在的不足之处，中国建材检验认证集团股份有限公司（简称“国检集团”）首席科学家包亦望教授经过多年潜心研究，在国际上率先提出“三步法”评价技术。三步法测试技术是脱胎于包教授提出的相对法理论。相对法是一种间接的测试方法，其核心是建立材料已知易得的可测参数与未知难得的难测参数间的解析关系，从而可通过可测参数来推导难测参数。该方法尤其适用于一些无法采用常规测试技术直接测量的材料性能参数。

对于陶瓷涂层的物理性能测试，涂层性能因无法直接测试，属于难测参数；而单质基体或含有涂层的复合体试样，均可以利用传统块体样品测得其物理性能，属于可测参数。因此通过建立涂层与基体和复合体三者间物理性能参数的解析关系，即可通过测试基体与复合体性能，计算出涂层的性能。该方法测试步骤可简化为第1步，测试基体性能；第2步，测试复合体性能；第3步，计算涂层性能。因此这种方法被叫做“三步法”。

采用这一研究思路，结合3点弯曲法实现了涂层常温弹性模量与强度的测试；结合脉冲激励法实现了涂层高温弹性模量的测试；结合相对缺口环法实现了涂层超高温弹性模量的测试；结合顶杆法实现了涂层热膨胀系数的测试；结合阿基米德排水法实现了涂层密度的测试；结合一维稳定传热模型实现了涂层导热系数的测试；结合十字交叉法实现了涂层界面结合强度的测试；结合涂层制备工艺机理将涂层分为同温涂层与异温涂层，并分别建立计算模型实现了涂层残余应力的测试。

热障涂层性能评价可以参照表1中的公式。

表1  相对法评价热障涂层物理性能计算

另外，基于上述技术，设计并研制了涂层残余应力测试仪及配套软件，该项技术通过国际专利合作协议（PCT）协议，获得美国专利授权。在国际专利的引领下，与国际知名的热分析仪器制造商德国林赛斯公司签署战略合作协议，合作开展涂层热膨胀系数仪与残余应力测试仪器的研制与销售，实现创新技术的国际化应用。

相对法技术克服了一些常规技术的缺点，实现了过去经常遇到但又无法解决的技术难题。在涂层热物理性能评价领域中位于领先地位，填补了国内外的空白，系列技术成功转化为5项国际标准（表2），有效地提高了我国的科技竞争力和市场竞争力。相对法测试涂层系列技术成果经中国建筑材料联合会科技成果鉴定，得出以下结论：相对法测试技术解决了陶瓷涂层热物理性能测试的系列国际性难题。成果创新性突出，填补了国内外空白，达到了国际领先水平。

表2  相对法涂层系列性能测试国际标准

5  热障涂层检测技术下一步发展趋势

目前，基于相对法测试技术已实现了绝大部分热障涂层本征性能以及部分服役性能的准确测试。随着热障涂层服役温度进一步的升高以及对涂层实际服役性能变化规律需求的进一步提高，在未来热障涂层检测技术的发展中将会更加注重两方面的研究内容：第一，对热障涂层更苛刻服役条件下性能准确的准确评价，包括热障涂层超高温环境性能测试，热障涂层高温水氧腐蚀环境下性能测试等；第二，热障涂层实际服役性能的测试评价，结合热障涂层的实际服役环境进行更深入研究，包括热障涂层抗热震性能评价方法；热障涂层寿命预测技术研究；热障涂层构件服役过程内应力变化规律等。