航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题

热障涂层是提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术。从热障涂层的粘结层与涡轮叶片高温合金基体的匹配性、CMAS(一种基于CaO、MgO、Al2O3和Si O2等多种氧化物构成的环境沉积物)形成及其对热障涂层的损伤和相应的防护、叶片热障涂层厚度分布的过程控制、热障涂层制备过程中气膜孔缩孔、热障涂层的在线无损检测及涂层返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面论述了航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用技术和需要解决的实际问题。     

电弧离子镀Al扩散障结构及抗高温氧化性能研究

采用电弧离子镀技术(AIP)在HY3(NiCrAlYSi)涂层与镍基高温合金(K5合金)之间沉积一层Al薄膜经过马弗炉870℃加热1h形成Al2O3作为扩散障层,研究了Al2O3对HY3(NiCrAlYSi)涂层与基体的元素互扩散的阻碍作用和对涂层氧化动力曲线的影响。对于添加扩散障层前后的试样,进行循环抗氧化试验来评价其抗高温氧化性能,并用扫描电镜(SEM)分析氧化前后试样微观形貌和成分,用X-射线衍射仪分析涂层的相结构。试验结果表明:Al2O3有效阻止基体与涂层之间的元素互扩散,提高了HY3(NiCrAlYSi)涂层和K5合金的抗高温氧化性能。     

高温防护金属涂层的发展及活性元素效应

高温防护涂层(一般为金属基)被广泛用于航空发动机和大型地面燃气轮机关键热端部件(例如涡轮叶片)的防护。通过生成一层致密且生长缓慢的氧化膜(Al_2O_3,Cr_2O_3或SiO_2等),这类涂层可以在高温下为基体合金提供可靠防护,以防止基体合金被快速氧化腐蚀侵害。本文回顾了高温防护金属黏结层的发展历程(以铝化物涂层和MCrAlY包覆涂层为例),其改进总是围绕着提高涂层中Al的浓度及合理分布,以及缓和涂层与基体合金的互扩散为目标;重点关注高温防护涂层中添加活性元素(RE)后引入的活性元素效应,包括活性元素被发现的历程、活性元素改性作用机制以及近期研究者在活性元素掺杂方面的工作进展。     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

铝-硅涂层中Si的分布及作用

 本文研究了Al-Si涂层中Si的分布和存在形式,揭示了含Si的铝化物涂层中形成的富Si的M₆C隔层,它阻碍铝化物涂层中Al和Si向内扩散,从而提高涂层的抗高温氧化能力。利用预处理法可使Al-Si涂层预制成富Si的M₆C隔层,进一步提高它的防护能力。     

新型封严涂层高温高速磨耗试验机的研制

为模拟航空涡轮发动机气路封严配副在工作状态下的磨损磨耗现象,研究封严涂层的可磨耗性能,研制了1套新型的可磨耗性能评价试验器。该试验器采用叶片-涂层刮削式磨耗副,使用模拟轮盘带动叶片高速旋转实现叶尖的切线速度;采用封严涂层试样径向进给以模拟叶片刮削切入;使用压电石英晶体3向测力仪定量测量瞬态刮削力;采用高速高温火焰加热试样。考核结果表明:试验器能够完成叶尖切线速度为0~300 m/s、进给速率为1.5~2025μm/s、加热温度为20~800℃条件下的磨耗试验,试验效果良好,数据稳定可靠。     

Nb-Si金属间化合物基超高温合金研究进展

Nb-Si金属间化合物基超高温合金(Nb-Si基合金)具有高熔点、低密度和良好的加工性能,目标使用温度达到1 200~1 400℃,成为用于新一代高推重比航空发动机热端部件最有潜力的候选材料。主要介绍了北京航空航天大学在Nb-Si金属间化合物基超高温合金领域的研究成果,包括合金化、加工制备技术(电弧熔炼、感应熔炼、定向凝固和粉末冶金)、组织控制与性能表征和热防护涂层材料体系设计与制备技术等。发展了Y2O3坩埚真空感应熔炼和Y2O3模壳精密成型顺序凝固技术,成功制备了涡轮叶片模拟件;发展了Al2O3/Y2O3、Y2O3/Y2O3陶瓷坩埚/模壳液态金属冷却定向凝固技术,实现了Nb-Si基合金的定向凝固组织控制和强韧化匹配;发展了热防护涂层材料体系和制备技术,在合金基体和涂层的高温抗氧化方面均取得了较大的进展。     

重型运载火箭发动机涡轮部件富氧燃气通道高温防护涂层技术研究

针对液体火箭发动机富氧燃气通道的传统搪瓷涂层在高温、高压、高速燃气冲刷工作环境下存在的开裂和脱落问题,对金属陶瓷复合涂层进行了高温氧化防护技术研究。采用喷涂和真空烧结工艺在高温合金基材表面制备了金属陶瓷复合涂层,对其组织结构、物理特性和高温抗氧化、热震、抗火焰冲刷性能进行了分析和试验。结果表明,金属陶瓷复合涂层通过真空热扩散形成了多孔组织,在1000℃氧化和冷热交变环境下表现出优异的抗氧化、抗热震性能,能够承受1100℃、1马赫燃气冲刷。     

陶瓷涂层在航空发动机上的应用研究

海军用航空发动机工作环境相当恶劣,其热端部件极易受到腐蚀,在涡轮叶片喷涂陶瓷涂层可以有效解决这一问题。本文通过试验验证的方法,分析了陶瓷涂层的抗高温氧化、抗高温热腐蚀和抗热震性能,以及介绍了陶瓷涂层在航空发动机上的应用及发展前景。     

高速电弧喷涂FeCAl涂层组织结构及抗高温氧化性能研究

用高速电弧喷涂技术(HVAS)制备FeCrAl涂层,测试涂层在800℃的氧化性能,研究涂层在喷涂态和氧化后的组织结构.结果表明,由于冷却速率极快,FeCrAl涂层中形成比较多的Fe-Cr非晶态相,还有少量的Cr1.3Fe0.7O3和体心立方晶格的Fe-Cr固溶体,喷涂过程中Al的氧化比较严重.FeCrAl涂层的抗高温氧化性明显高于12Cr1MoV钢,接近于T91钢,涂层具有优异的抗氧化性一方面是由于层片间形成保护性的Cr氧化膜,阻止进一步氧化,也与含有较多抗氧化性好的非晶态相有关.高温氧化后,涂层中部分非晶态相晶化,转变为Fe-Cr晶体相.