什麼是熱障塗層
施加在高溫零件表面、熱導率低的陶瓷被膜。由氧化鋯的面層與黏結層構成，能大幅降低金屬的溫度。
日文名稱: 遮熱コーティング
「熱障塗層」出現在1領域的3道練習題中（高溫材料與潛變等）。
這個名詞所屬的領域: 高溫材料與潛變
為什麼需要
在燃氣渦輪中，進入渦輪的氣體溫度越高，熱效率與輸出越高。但這個氣體溫度接近、甚至有時超過葉片所用鎳基超合金的熔點，只靠合金無法承受。因此一面在葉片內部通入冷卻空氣，一面在表面設置熱導率低的陶瓷層，以降低金屬的溫度。重要的是，這個溫差是熱流過該層而產生的，ΔT = qL/k 中的熱通量q是由內部冷卻造成的。若沒有冷卻，經過一段時間後金屬也會變成與氣體相同的溫度，隔熱效果不會留下。
使用YSZ的理由
面層使用添加約6〜8 wt% Y₂O₃而部分安定化的氧化鋯（YSZ）。加入Y會產生氧空位，這些氧空位與取代的Y原子強烈散射聲子，因此即使是緻密材料，1000℃的熱導率也約為2.3 W/(m·K)，以陶瓷而言很低。熱膨脹係數約11×10⁻⁶ K⁻¹，以陶瓷而言也很大，與金屬的差較小。把添加量控制在部分安定化的範圍，是為了防止冷卻時正方晶變為單斜晶而產生約4%的體積膨脹，同時得到介穩正方晶（t'）帶來的高韌性。
塗層的製法與組織
製法主要有2種。大氣電漿熔射（APS）中，熔化的粒子扁平地堆疊，平行於表面的細微裂紋與氣孔阻擋熱流，因此熱導率降到約1 W/(m·K)。電子束物理氣相沉積（EB-PVD）形成柱狀晶排列的膜，柱間的間隙開合，以釋放熱膨脹差造成的應變。其熱導率約1.5〜1.9 W/(m·K)，比熔射膜高，但耐熱循環且表面平滑，因此常用於航空引擎的動葉片。燃燒室等則使用便宜且容易做厚的熔射膜。
劣化與壽命的決定方式
使用中有數種劣化同時進行。與黏結層界面的熱生長氧化物大致依拋物線定律增厚，每次冷卻時熱膨脹差造成的應力集中於此，導致面層剝離。在遠高於約1200℃下長時間使用時，介穩的t'相會分解，燒結也使氣孔減少，失去釋放應變的能力。此外，吸入的砂或火山灰以鈣鎂鋁矽酸鹽（CMAS）熔化，滲入氣孔後凝固的損傷也是問題。因此也在研究熱導率更低的鋯酸釓（Gd₂Zr₂O₇）等新的面層材料。
練習熱障塗層的題目
關於施加在燃氣渦輪葉片上的熱障塗層（TBC）的構成，下列敘述何者正確？
- A在熱導率低的YSZ面層下設置MCrAlY等黏結層，其界面生成的薄Al₂O₃熱生長氧化物（TGO）防止母材氧化
- B面層使用熱導率高的緻密氧化鋁，把葉片的熱快速導出而降低金屬溫度，並以其下的黏結層吸收與母材的熱膨脹差
- C面層的YSZ完全不讓氧通過，因此不需要黏結層，只要把YSZ直接噴塗在母材上，就能同時防止母材氧化與高溫受熱
1.0 MW/m²的熱通量沿厚度方向均勻通過熱障塗層的面層（厚度250 µm，熱導率1.2 W/(m·K)）。視為穩態的1維熱傳導，面層正反兩面的溫差最接近下列何者？
- A約300 K
- B約21 K
- C約208 K
常見問題
熱障塗層能使金屬溫度降低多少？
由膜厚L、熱導率k與通過膜的熱通量q決定，可用 ΔT = qL/k 估算。厚度與熱通量相同時，熱導率減半的膜溫差變為2倍。前提是以內部冷卻持續使熱流動，因此溫差依運轉條件而大幅改變。
熱障塗層與環境障壁塗層（EBC）有什麼不同？
熱障塗層的主要目的是降低金屬零件的溫度。環境障壁塗層則是保護SiC纖維強化SiC複合材料等陶瓷零件，防止其在高溫水蒸氣中失去表面的SiO₂而逐漸變薄的被膜，使用鐿的矽酸鹽等材料。
「部分安定化」是什麼意思？
ZrO₂隨溫度在單斜晶、正方晶、立方晶之間變化。加入大量Y₂O₃會成為只有立方晶的完全安定化氧化鋯，但熱障塗層中添加較少，停留在以正方晶為主的狀態。這樣能抑制相變態造成的體積變化，同時得到韌性高的膜。
解析中的「熱障塗層」
TBC是一面以冷卻空氣冷卻葉片內部，一面以表面的隔熱層降低金屬溫度的被膜。
關於施加在燃氣渦輪葉片上的熱障塗層（TBC）的構成，下列敘述何者正確？厚度僅0.25 mm左右的膜就能使金屬溫度降低約200 K，這就是熱障塗層的效果。
1.0 MW/m²的熱通量沿厚度方向均勻通過熱障塗層的面層（厚度250 µm，熱導率1.2 W/(m·K)）。視為穩態…Al₂O₃成長更慢，在高溫下也穩定，因此鎳基超合金、熱障塗層的黏結層、Fe-Cr-Al電熱線等都使其形成Al₂O₃。
關於在超過1000℃的高溫空氣中使用的耐熱合金的保護膜，下列敘述何者正確？
出現「熱障塗層」的題目（3題）
相關名詞
鎳基超合金 線膨脹係數 潛變 熱應力 氧化拋物線定律 冪律潛變 擴散潛變 變形機構圖 Larson-Miller參數 Pilling-Bedworth比