等離子噴涂金屬/陶瓷梯度熱障涂層研究進展

周靂，邢志國，王海斗，黃艷斐，郭偉玲，米慶博,2

（1.陸軍裝甲兵學院，北京 100072；2.哈爾濱工程大學，哈爾濱 150001）

在航天、航空、電力、化工、冶金等眾多領域，存在很多需要在高溫環境下運行的零部件，例如：航天發動機的渦輪機葉片、船舶內燃機的燃燒室部件[1]。在零件上制備一層熱障涂層，能夠有效降低零件表面溫度，提高發動機功率，延長零部件服役壽命。目前，常用于熱障涂層的材料有氧化鋯系列、鋯酸鹽系列、鈣鈦礦結構系列和其他氧化物，幾種常用陶瓷材料和金屬基體的物理性能如表1所示[2-5]，陶瓷材料具有高熔點、熱導率低的優勢，但其與金屬基體的熱膨脹系數、彈性模量等物理性能存在明顯的不匹配，在制備和使用過程中易出現結合效果差、裂紋、剝落等問題。金屬/陶瓷梯度熱障涂層是解決該問題的方法之一，其獨特的設計理念[6]是指在高溫側使用耐熱陶瓷來提供足夠的耐熱性，在低溫側使用導熱性高的硬質金屬來提供必要的機械韌性，通過從金屬材料到陶瓷材料的成分逐漸變化來制備新的復合涂層，實現減少或消除涂層與基體之間的界面物性突變和界面應力等問題。20世紀80年代首次提出“功能梯度材料”這一科學術語應用于研制熱障材料，距今幾十年間，金屬/陶瓷梯度熱障涂層已經得到了廣泛的研究[7]。

表1 常用熱障陶瓷材料與金屬物理性能對比Tab.1 Comparison of physical properties between thermal barrier ceramics and metals

制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層的常用方法有氣相沉積、激光熔覆、自蔓延高溫合成、等離子噴涂等技術[8]。其中等離子噴涂技術是將預先處理好的微粒（通常為幾十微米大小），在等離子體射流（通常是104～2×104K）處，迅速加熱至熔融或高塑性狀態，隨后高速地撞擊基體，在基體表面攤平、快速冷卻、固化，最后多個扁平化的熔融粒子堆疊形成致密的層片狀涂層[9]。該技術具有對基體熱影響小、噴涂材料廣、粒子飛行速度快、涂層結構致密等優點，并且操作靈活、成本低，廣泛應用于核工業、航空航天、石油化工、機械制造等領域[10]。利用等離子噴涂技術制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層，可靈活改變涂層內部組分的成分配比，可根據特定的服役環境設計對應的涂層組分，制備出獨特性能的涂層，相比于其他技術具有靈活性、高效性、高自主性、低成本的優點。在金屬/陶瓷梯度熱障涂層服役過程中，涂層獨特的微觀組織結構對服役性能和壽命有重要影響，結構中過多的缺陷和殘余應力的不合理分布，致使涂層過早失效和服役性能不穩定。為了避免由于涂層質量和殘余應力帶來的問題，在等離子噴涂過程中，調整噴涂技術和工藝，并優化涂層設計，以提高涂層的服役性能和壽命。因此，本文從涂層獨特的微觀形貌及性能、涂層殘余應力、改善涂層性能研究三個方面綜述了當前研究現狀，最后對其今后的發展趨勢進行了總結和展望。

1 金屬/陶瓷梯度熱障涂層微觀結構與性能

等離子噴涂制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層實質過程可類似于制備多層復合涂層，由于涂層成分呈梯度式規律變化，與雙層熱障涂層相比，梯度熱障涂層的組織結構有獨特的特點，一是涂層內部沒有明顯界面，二是涂層微觀結構呈規律性變化，三是噴涂過程中金屬成分易被氧化。典型的雙層熱障涂層和金屬/陶瓷梯度熱障涂層的微觀形貌[11]、元素分析[12]如圖1—2所示，可以明顯觀察到，兩種涂層形貌保持了等離子噴涂涂層的基本特點：涂層整體由層片狀扁平粒子堆疊而成，內部包含諸如夾雜物、微裂紋、孔隙、氧化物、未熔化和半熔化粒子等缺陷；金屬涂層致密、結構均勻、缺陷少，陶瓷涂層致密性差、缺陷多；雙層熱障涂層陶瓷層和粘結層的界面明顯，表現出嚴重的性能差異，是涂層界面分層失效的主要原因。梯度熱障涂層中間過渡層區域由于成分梯度變化，各層之間沒有明顯界面，涂層微觀結構逐漸發生改變，緩解了性能突變，提高了涂層服役性能。隨著金屬組分逐漸減少，涂層形貌由層片狀變為彌散狀。隨著陶瓷組分逐漸增加，由于陶瓷材料難以熔化，與金屬材料的熱膨脹系數差異大，潤濕性差，涂層形貌由彌散狀變為多孔狀，內部微裂紋、氣孔等缺陷不斷增加，NiCrAlY/YSZ梯度熱障涂層的孔隙率由1%增長到頂層的11%[13]，孔隙率的增加不利于涂層結合強度的提高，但利于降低涂層熱導率，提高涂層的隔熱性能。此外，陶瓷粉末顆粒粒徑小，成形過程中塑性變形小，陶瓷組分的增加使得涂層表面粗糙度降低，Ni5Al/MSZ五層梯度熱障涂層由基體到表面，各層表面粗糙度由Ra17.3降低到Ra8.9[14]，在一定程度上能夠緩解涂層在表面或界面的應力集中現象。等離子噴涂技術具有射流溫度高、沉積時間短的特點，在噴涂過程中，涂層極易產生相變、氧化，即使改進噴涂工藝，也無法徹底消除金屬元素的氧化。在制備過程中，易氧化的金屬元素從合金中析出形成氧化物，分布在合金片層邊緣或與陶瓷成分良好的混合[15-17]，氧化物的形成促進了涂層內部的結合，提高了涂層致密性。金屬材料中的Al元素易氧化生成Al2O3，Al2O3呈層片狀分布在Ni基合金邊緣（圖3a），或Al2O3與ZrO2相互混合，由于Al2O3和ZrO2的互溶度不高，ZrO2邊緣出現明顯的析出現象，如圖3b所示。

表2 NiCoCrAlY/ZrO2梯度熱障涂層各層的物理性能參數[18-20]Tab.2 Physical properties of NiCoCrAlY/ZrO2 gradient thermal barrier coatings[18-20]

獨特的微觀結構決定梯度熱障涂層的性能比雙層熱障涂層具有明顯的優勢。以Ni為基體的五層NiCoCrAlY/ZrO2梯度熱障涂層各層的物理性能參數如表2所示[18-20]。由基體到表面，各層涂層的顯微硬度、彈性模量逐漸增加，減小了陶瓷層與金屬層之間力學性能的差異性，增加了涂層在基體上的彎曲和拉伸強度，相比于雙層熱障涂層，界面強度、斷裂韌性明顯增強[21-22]。各層熱膨脹系數、熱導率逐漸變化，明顯降低了涂層的殘余應力，且涂層內部沒有明顯界面，有效地提高了涂層的結合強度，保證了梯度涂層具有良好的熱障性能和抗熱循環壽命。五層NiCoCrAlY/ZrO2梯度熱障涂層的結合強度是雙層涂層的2倍，抗熱循環壽命是雙層涂層的5倍[18]。在高溫氧化中，梯度涂層的耐氧化性優于雙層涂層[19]。梯度涂層表面陶瓷層的厚度小，阻氧效果低于雙層涂層，前期梯度涂層的氧化速率更快，隨著氧化過程的進行，中間成分梯度變化區域易形成一層新的氧化物，氧化物與氧化鋯的良好結合可防止涂層進一步氧化，并提高了涂層的致密性，從而延緩了梯度涂層的氧化[23]。涂層氧化的活化能大小能夠定量地反應涂層的氧化難易程度，活化能越大，氧化越難。通過詳細的實驗研究測得，CoNiCrAlY/YSZ熱障涂層隨著氧化的進行，雙層熱障涂層的活化能由167 kJ/mol增加到212 kJ/mol，梯度熱障涂層的活化能由94 kJ/mol增加到419 kJ/mol[24]。金屬/陶瓷梯度熱障涂層能夠有效地解決陶瓷涂層與金屬基體的性能差異問題，它優異的力學、抗熱疲勞和抗高溫氧化等性能突出其重要的研究價值，涂層的層數多、缺陷明顯，使得涂層的殘余應力分布復雜，對金屬/陶瓷梯度熱障涂層殘余應力的有關研究至今仍是研究熱點。

2 金屬/陶瓷梯度熱障涂層殘余應力

殘余應力對金屬/陶瓷梯度熱障涂層的結合強度、抗分層斷裂能力、熱疲勞壽命等性能有很大的影響，因此研究金屬/陶瓷梯度熱障涂層整體和各層殘余應力的變化情況，對指導涂層制備、分析涂層性能改善的原因和失效模式具有重要意義。在金屬/陶瓷梯度熱障涂層的制備過程中，涂層的殘余應力主要由淬火應力和熱失配應力兩部分構成，隨著陶瓷組分的增長，涂層殘余應力的形式由淬火應力主導轉變為熱失配應力主導，殘余應力在試樣邊緣存在明顯的應力集中現象[25]。由于金屬/陶瓷梯度熱障涂層內部缺陷多、成分分布復雜、性能影響變量多，實驗測得的數據往往存在局部性，涂層的實際殘余應力不能得到準確的測試。目前各層涂層殘余應力的具體分布狀態，多用有限元軟件進行模擬分析。

涂層實際的成形方式并非一體成形，其內部仍存在多個界面，界面是涂層性能薄弱區域，因此需要對涂層表面和內部各層之間的界面進行重點分析。五層梯度涂層各層表面及界面殘余應力沿涂層半徑的分布如圖4[26]所示，可以發現，殘余應力在樣品邊緣具有明顯的應力集中現象，由金屬涂層到陶瓷涂層的界面徑向應力由拉應力變為壓應力，涂層表面的高徑向應力會促進表面垂直裂紋的形成而導致涂層表面開裂。此外，陶瓷頂層表面的徑向應力狀態與其厚度有關，隨著厚度的增加，表面徑向應力由拉應力變為壓應力，在制備過程中厚度越薄越容易發生表面開裂，同時當厚度達到一定程度時，能消除徑向應力在邊緣集中的現象[27]。界面最大軸向壓縮應力和拉伸應力分別出現在試樣邊緣的頂部/底層界面和基體/粘結層界面附近，遠離試樣邊緣，軸向應力迅速減小。界面的剪切應力以壓縮應力為主，在粘結層與過渡區域界面處達到最大值。靠近界面和試樣邊緣的應力集中程度較大，較大的拉伸和壓縮軸向應力，可能分別導致界面產生微裂紋和涂層的屈曲、分層開裂[28]。

總厚度相同但層數不同的雙層、三層、五層熱障涂層的最大徑向、軸向和剪切應力如圖5[26]所示，表明有梯度過渡層的加入和層數的增加，減小了不同材料熱膨脹系數的失配程度和涂層內部的溫度梯度，能夠顯著地降低涂層整體的殘余應力水平，但并沒有改變殘余應力的分布規律，三種涂層的最大殘余應力的分布位置仍然一致，最大徑向應力和最大軸向應力均在陶瓷層以下，最大剪切應力均在粘結層以上[29]。涂層層數的增加能夠改善涂層的抗熱疲勞性能，但并不能改變涂層的失效形式。此外，涂層冷卻速率、基體厚度、涂層成分梯度和性質等因素，影響著金屬/陶瓷梯度熱障涂層殘余應力的應力水平。涂層的冷卻速率越大，涂層試樣與環境的熱對流系數越大，意味著更多的熱量被散發到周圍的環境中，傳導到相鄰層的熱量越少，扁平粒子成形過程中的冷卻速度變快，使得涂層徑向應力變大，但涂層的剪切應力和軸向應力值變化不大[20]。當成分梯度變化非常小或非常大時，富金屬區和富陶瓷區的應力發生急劇變化。當成分線性分布時，涂層內部的殘余應力沿厚度方向緩慢增加，相鄰層間的應力不連續度顯著減小；涂層表面和富陶瓷區附近的應力隨陶瓷材料彈性模量的增加而逐漸增大；涂層表面殘余應力的大小隨基體厚度的增加而增大[30]。而造成這些現象的本質原因，鮮有報道。因此，由于金屬/陶瓷梯度熱障涂層殘余應力的重要性和其本身分布的復雜性，導致影響因素眾多，在實際涂層設計過程中，利用有限元軟件根據具體情況對涂層殘余應力先進行分析，再依據分析結果進行具體的涂層設計變得十分重要。

金屬/陶瓷梯度熱障涂層界面和表面的殘余應力一直是科研人員的研究熱點和難點，大多數模擬研究重點考慮了涂層表面和界面的整體分布狀態，對涂層實際狀態進行了簡化，將涂層看作彈性固體，殘余應力由一定的溫度冷卻而來，涂層在實際成形過程中產生的淬火應力（相對較小）和缺陷并未考慮，這與涂層的實際并不一致，雖然得出的理論值結果相似，但為了模擬分析更具有說服力，大量研究工作者對模擬模型進行了優化研究。在模擬分析中考慮涂層內部的微裂紋、塑性變形作為應力松弛機制和成形過程中的淬火應力，可避免模擬瞬態分析過程中由僅考慮完全彈性行為帶來的粘結層殘余應力遠大于陶瓷層的誤差[31]。殘余應力隨孔隙率的增大而減小，當孔隙率較小時可忽略它的影響，但金屬/陶瓷梯度熱障涂層中富含陶瓷成分區域的孔隙率較大，考慮孔隙率的影響可以提高涂層殘余應力的分析準確性[32]。夾雜物顆粒附近存在應力集中，均為拉應力且呈階梯狀分布，由于夾雜物顆粒分布非常接近，當應力足夠大時，在其附近可能引發微裂紋，而后相互連接，導致涂層分層失效。同時夾雜物的非均勻分布加劇了殘余應力分布的非均勻性[33]。涂層內部缺陷是涂層的固有特點，缺陷的存在會影響涂層內部的連續性，加劇了殘余應力分布的復雜性，在服役過程中更容易出現失效，考慮缺陷對殘余應力的影響機制具有重要的實際意義，但金屬/陶瓷梯度熱障涂層多缺陷和多界面，加大了模擬研究的難度，目前在這方面還有待進一步研究。

3 金屬/陶瓷梯度熱障涂層的性能提升研究

梯度涂層獨特的微觀結構、優異的力學和熱學性能，使其具有十分重要的科研價值，但梯度涂層的內部缺陷、涂層設計多變量影響著涂層性能。如何提高涂層性能，目前科研人員的研究主要集中在三個方面：一是優化涂層制備工藝，二是改進噴涂技術，三是改善涂層設計。

3.1 優化涂層制備工藝

等離子噴涂制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層的關鍵在于如何控制不同粉末的成分比使得涂層呈梯度式變化。早期使用雙槍或多槍口分別在同一位置沉積不同的粉末，可單獨調整各槍的工藝，可得到不同粉末的最佳噴涂工藝參數。然而，噴涂過程中等離子射流之間存在互相干擾，以及噴涂條件改變產生的不同粒子間結合不牢和噴涂成本提高等問題[34]，導致當前主要對單槍等離子噴涂設備的噴涂工藝進行優化研究。

單槍等離子噴涂常用的制備流程分為不同成分比的粉末混合和多次連續噴涂形成梯度涂層。粉末的混合常用機械合金法和等離子球化法[35]，該方法工藝簡單，能夠靈活地改變粉末混合比，沉積不同梯度變化的涂層。通過優化球磨時間和轉速，使一些陶瓷粉末在球磨過程中被粉碎成硬的小塊后，壓入韌性的微晶粉末中，形成了金屬粉末上覆著一層陶瓷的復合粉末，減少了金屬粉末在噴涂過程中的氧化。等離子球化后的復合粉末呈球形（適合于噴涂），大小和成分分布均勻，利于形成化學性質穩定、密度分布均勻的高質量梯度涂層。由于金屬和陶瓷材料的熔點不同，針對不同的成分比，通過工藝優化獲得各層涂層的最佳工藝參數。隨著混合粉末內陶瓷含量的增多，難熔成分增多，眾多研究表明可通過減少主氣流量、增大次氣流量和電流，來提高等離子體射流溫度，促進混合粉末充分熔化[15-16]；通過提高主氣氣壓、增大粒子飛行速度，獲得更加致密的涂層[23,36]；通過縮短噴涂距離，實現陶瓷粉末的良好沉積[11,14,26]；通過適當減少送粉速率，使得混合粉末得到充分加熱[26,37]。等離子噴涂制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層的制備過程復雜，單通過實驗優化工藝參數就存在工作量大的問題，噴涂過程的數值模擬對涂層制備具有實際的指導意義，且成本低、操作方便，將實驗與模擬相結合是當今制備技術工藝優化的熱門研究方向。利用數值模擬建立等離子體射流溫度場，通過分別研究等離子體的工作電流、主/次氣體流量對等離子體射流溫度場的影響，可以提出更具體的噴涂工藝優化參數[38]。全面模擬等離子噴涂制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層的過程，包括基本參數在噴嘴出口處的預測、三維等離子體射流與粒子之間的交互作用、金屬和陶瓷粒子的溫度和飛行軌跡、熔融粒子與基體之間的相互作用，以及涂層的沉積過程。充分考慮等離子體射流中具有化學反應的湍流效應、粒子在基體上的分散狀態以及梯度涂層的成分分布等各種復雜現象，可以實現數值模擬分析結果與實際噴涂實驗結果較好的吻合[39]，為實驗提供詳細的優化指導。

3.2 改進噴涂技術

混合粉末內各組分的熔點差異大，即使經過工藝優化，仍存在陶瓷粉末半熔或未熔的現象，使得涂層質量下降和合金粉末因過熔、嚴重氧化而失去增韌作用，并且涂層并非一次成形，而是多次分層噴涂，使得涂層內部仍會形成內界面，涂層在服役過程中發生應力集中導致層間開裂和剝落[40]。雙送粉器或多送粉器可將熔點不同的粉末分別輸送到等離子射流不同的溫度區域，其示意圖如圖6所示，通過改變不同送粉器的送粉速率，得到不同梯度變化的涂層，可有效地改善高熔點粉末“夾生”和低熔點粉末“過熔”的情況，解決因多次噴涂帶來的涂層內界面、孔隙率等缺陷逐漸增加的導致涂層質量問題[41-42]。采用雙送粉器技術噴涂制備了連續金屬/陶瓷梯度熱障涂層，如圖7所示，涂層結構致密，幾乎沒有裂紋。熱沖擊載荷實驗表明，層狀涂層組織整體致密化有利于能量釋放，從而控制熱沖擊裂紋的擴展，涂層高韌性、力學性能和物理性能的連續梯度變化可以促進熱應力降低，保證其具有良好的熱沖擊性能[43]。但多送粉器噴涂技術存在工作量大、技術難點多的缺點，例如：針對金屬、陶瓷粉末的熔點不同，需設計不同送粉傾斜角度的噴槍；金屬、陶瓷粉末的沉積效率不同，并不能簡單地通過改變送粉率來得到不同的成分比例，獲得精確的成分梯度變化難。此外，采用低壓等離子噴涂技術制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層[44]，可通過控制腔室壓力和粉末粒徑，來降低涂層內部孔隙率，提高涂層密度，從而增加涂層的強度和導熱系數，降低熱循環過程中涂層表面溫度和熱應力，達到提升涂層抗熱疲勞性能的目的。涂層后處理也是提升涂層質量和性能的一種重要方式，通過熱等靜壓、回火等后處理方式[45]，能夠促進涂層內部擴散行為，有效地改善了涂層微觀結構，降低了涂層殘余應力，提高了涂層的結合強度和抗疲勞性能。涂層內部缺陷是制約涂層性能的重要原因之一，對噴涂技術的改進有望獲得質量高、性能優異的涂層，同時降低制備過程的復雜程度。

3.3 改善涂層設計

目前，金屬/陶瓷梯度熱障涂層中，陶瓷組分沿厚度方向的體積分布函數V(y)主要依據的方程式如式（1）。其中y為涂層厚度，H為涂層總厚度，p為組分分布指數，該方程由Wakashima等人基于熱應力緩和準則提出[46]。改變冪函數指數p，即可得到不同漸變形式的梯度涂層，如圖8所示，主要分為線性分布（p=1）、凸型非線性分布（p＜1）、凹型非線性分布（p＞1）三種。成分分布不同對涂層性能的影響不同，凹型梯度涂層內金屬含量最多、孔隙率最低，使得涂層層間相互作用更強，涂層結合強度最大。涂層成分呈線性分布，金屬與陶瓷的熱物理性能錯配率最小，涂層剪切應力、溫度和熱流密度呈最優分布[47]，涂層殘余應力降低更明顯，其抗氧化性能、抗熱震性能更強。在高溫氧化實驗過程中，可以觀察到過渡層與粘結層之間形成氧化層，從而產生橫向裂縫，裂紋的嚴重程度與噴涂過程中金屬與陶瓷成分線性偏離程度成正比；熱疲勞實驗中，由于切向裂紋和橫向裂紋的強烈相互作用，非線性涂層中的陶瓷涂層幾乎被破壞，線性涂層中僅有一些切向微裂紋，陶瓷層依舊完整[48]，這可能是由于殘余應力在富金屬區和富陶瓷區的應力急劇變化程度與線性偏離程度成正比[49]。因此，金屬和陶瓷成分呈線性分布時，涂層具有突出的抗熱震性能和抗氧化性能，更加適用于熱障涂層。

金屬/陶瓷梯度熱障涂層的層數越多，層間成分和微觀結構的變化越小，能降低涂層殘余應力，提高涂層結合強度和涂層熱疲勞過程中的裂縫萌生溫度，縮短了裂縫的最終長度，提升了涂層的熱疲勞性能[50]。結合聲發射檢測技術和涂層截面微觀形貌，測試了梯度熱障涂層在熱沖擊實驗過程中涂層內部缺陷的變化狀況，結果表明五層涂層只有微裂紋萌生和相變，三層涂層中發現了一些較大的宏觀裂紋，并檢測到宏觀裂紋擴展和分層的信號。但隨著層數的增加，涂層內部缺陷和內界面增多，當層數增加到一定程度時，涂層性能的提高并不明顯[51]。金屬/陶瓷梯度熱障涂層各層的厚度越厚，有效導熱系數越大，阻氧擴散能力越強，導致涂層的熱障性能和抗氧化性能越好，但涂層溫度梯度增大，使得殘余應力增大，減小了涂層的結合強度和抗熱循環性能[52]。涂層的最佳厚度由具體服役情況決定，Baluragi等人[53]利用有限元軟件模擬返回運載火箭的熱通量條件，根據應力和斷裂準則，得到各層涂層的最佳厚度為50 μm。

涂層內部缺陷的存在使得涂層強度低于塊體材料，當應力達到一定值時，涂層極易產生裂紋，導致涂層失效。纖維增強材料在材料增韌領域得到了廣泛應用，在金屬/陶瓷梯度熱障涂層中加入纖維增強材料，可通過纖維基體脫粘、裂紋變形和纖維斷裂等機理，起到增強涂層韌性、提升涂層壽命的作用。在NiCoCrAlY/YSZ梯度涂層內部引入YSZ短纖維材料，與典型雙層熱障涂層相比，其熱循環壽命提高60%[54]。涂層內部致密程度不高，氧化和腐蝕介質易進入涂層，對涂層內部和基體造成氧化和腐蝕。在梯度涂層上再噴一層致密的陶瓷頂層，能夠對元素擴散起到阻礙作用，可提升涂層的抗氧化性能和耐熱腐蝕性能。在NiCoCrAlY/YSZ梯度涂層上再噴一層納米和微米氧化鋁頂層，對比沒有氧化鋁頂層的梯度涂層的熱腐蝕失效形式，發現氧化鋁頂層對熔鹽的滲透起到了良好的障礙作用，提高了涂層的耐熱腐蝕性能，結構更致密的納米氧化鋁頂層的性能提升更明顯[55]。

4 總結與展望

等離子噴涂制備金屬/陶瓷梯度熱障涂層的獨特設計理念，能夠有效地解決熱障涂層與金屬基體物理性能不匹配的問題，明顯地提高涂層的結合強度，降低涂層的殘余應力，改善涂層的力學和熱學性能，延長涂層的服役壽命。如果將梯度熱障涂層應用于高溫環境下的零件上，將會對航天、航空、核電、化工、冶金等領域產生巨大意義。隨著科學技術的不斷發展，其研究越來越深入，但由于存在涂層設計變量多、檢測難、制備過程復雜、實際成分變化不明確等問題，對其研究仍然任重道遠。因此筆者認為，以下研究方向值得重點關注：

1）優化模擬模型。一是噴涂過程模型，由于金屬與陶瓷粒子在噴涂過程中的飛行軌跡、粒子大小、熔化狀態等因素的不同，優化噴涂過程模型對改善噴涂參數、了解梯度熱障涂層的實際成形過程具有重大意義；二是涂層模型，實際涂層由多個扁平粒子堆垛而成，其內部含有微裂紋、氣孔、夾雜物等缺陷，涂層的殘余應力由淬火應力、熱失配應力等多因素構成，現在涂層模型并未考慮全面。完善涂層模型對研究涂層殘余應力、認識涂層失效形式、優化噴涂參數具有實際的指導意義。

2）改進噴涂技術和創新涂層設計。噴涂設備由最初的多個噴槍設備發展到單個噴槍設備配有單送粉器或者多送粉器，噴涂技術方面有了很大的突破，但仍存在制備過程復雜等問題。涂層設計方面，為了提高涂層性能，研究了成分、厚度、層數對涂層性能的影響，但沒有從不同材料本身特性、涂層本身的固有特點（多次噴涂成形）等方面去考慮，這方面需要加大實質性的研究，提出創新性的結構設計，才能給涂層性能帶來質的飛躍。

3）完善涂層成形機理的研究。目前對涂層的微觀結構、力學性能和熱學性能進行了大量的觀察和測試，但成形機理仍存在大量的研究空白，機理的充分認識可以精確地指導涂層的制備和性能的改善，因此完善機理方面的研究具有重要的學術和應用價值。