航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术研究及应用

介绍了航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术的研究和应用情况,对热障涂层黏结层和陶瓷层的材料、制备、应 用及主要失效原因等4个方面的现状和发展趋势进行了综述。详细介绍了应用广泛的黏结层材料MCrAlY以及近几年新兴的 PtAl;包括多元稀土氧化物掺杂ZrO2、萤石结构化合物、稀土锆酸盐等的陶瓷层材料;目前广泛用于生产的等离子喷涂、电子束物 理气相沉积等制备技术;着重介绍了热障涂层在中国的应用情况。主要从TGO和CMAS 2方面对热障涂层的失效原因分别进行 了分析。简要论述了涡轮叶片热障涂层研究未来将向着1300 ℃以上超高温陶瓷层、1200 ℃以上抗氧化并与先进单晶高温合金界 面匹配良好的金属黏结层、长寿命且抗CMAS性能良好的方向发展。     

Sm2Zr2O7基热障涂层材料研究现状

由于航空发动机不断向高效率、高推重比方向发展,发动机热端部件表面热障涂层的服役条件也越来越苛刻。稀土锆酸盐作为新型热障涂层材料,其开发和应用受到越来越多国内外学者的关注。Sm₂Zr₂O₇材料在一系列稀土锆酸盐中具有烧绿石结构稳定、低热导率和高热膨胀系数等优点,具有良好的应用前景。为满足热障涂层更高的服役要求,Sm₂Zr₂O₇的掺杂改性及性能研究也成为了研究热点。首先,对热障涂层材料进行了简要概述,然后就Sm₂Zr₂O₇基陶瓷材料及其涂层的晶体结构、热物理性能、力学性能以及抗腐蚀性能等的研究进展进行了详细的介绍,为该材料在热障涂层领域的研究及应用提供参考。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高,对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹,可以同时提升其隔热性能和服役寿命,是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而,目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象,发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型,推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解,获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律,发现：在表面裂纹形成前,陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变,而总应变能随其厚度线性增大,这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量;在其他喷涂参数不变的情况下,预热温度越高,表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响,为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

等离子喷涂纳米陶瓷热障涂层组织与性能

采用纳米陶瓷粒子团聚体粉末等离子喷涂制备纳米陶瓷热障涂层,研究了纳米陶瓷热障涂层的组织和性能.试验表明,采用纳米结构的陶瓷涂层有利于增加热障涂层的高温使用寿命.     

长寿命热障涂层的剥落机理及抗剥落结构设计

涂覆于高温合金热端部件表面的热障涂层,具有隔热防护作用,属新一代燃气轮机的关键核心技术。等离子喷涂制备的热障涂层隔热性能好,但长时间高温服役后存在开裂剥落问题,引发基体烧蚀、造成巨大经济损失。因此,发展长寿命热障涂层是该技术领域的重大难题。本文从等离子喷涂热障涂层的独特层状结构特征入手,阐述涂层在高温服役中结构和性能的演变规律,揭示涂层剥落失效机理,总结长寿命热障涂层设计方法。研究表明,等离子喷涂热障涂层呈现以连通2D孔隙为主的层状多孔结构,具有优异的隔热功能和协调应变能力。然而,涂层在高温服役中发生烧结,2D孔隙大量消失,涂层显著刚化,使热障涂层开裂驱动力急剧增加,引发微观裂纹扩展并贯通形成大尺度裂纹,导致涂层最终剥落失效。据此,分别从降低开裂驱动力和增加开裂阻力两方面着手,总结抗开裂新结构涂层设计方法,为研发长寿命热障涂层指明了发展方向。在未来研究中,如何保证涂层高隔热和长寿命并同时兼顾经济性,是发展新一代高性能热障涂层的重点方向。     

多孔纤维陶瓷的各向异性热导率研究

确定陶瓷涂层各向异性热导率是航空发动机热障防护的重要研究内容。本文从多孔陶瓷的各向异性结构出发,建立导热微元体模型,通过计算特定排列方式的多孔介质结构不同方向的热阻,建立了热导率与多孔结构的关系,推算出材料各向异性热导率值。并由各向异性陶瓷热障涂层的隔热效果数值模拟,阐明了材料性能的优越性,以上方法可为指导陶瓷涂层的热防护设计提供参考。     

氧化锆基陶瓷热障涂层的研究进展

氧化锆基陶瓷热障涂层是航空发动机的关键技术。根据一元氧化物、二元氧化物和多元氧化物掺杂稳定二氧化锆(ZrO_2)热障涂层的相关研究报道,系统地总结了氧化锆基陶瓷热障涂层在相稳定性、服役温度、热循环寿命、热导率、热膨胀系数等方面取得的进展;在此基础上,指出了氧化锆基陶瓷热障涂层的未来研究与发展方向。     

热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究

从热障涂层在涡轮叶片的应用需求出发,研究了陶瓷热障涂层的材料与制备方法,介绍了热障涂层的基本原理和主要工艺特点,解决了热障涂层在喷涂过程中所产生的堵塞气膜孔、减小排气面积、降低疲劳性能、遮挡等方面的难点问题,给出了热障涂层叶片在试验和试车中的考核结果。     

热障涂层失效行为与寿命预测研究进展

热障涂层是航空发动机热端部件的重要功能材料,其强度与寿命分析技术是热障涂层应用基础研究的重点。涂层的提前失效将使金属基体暴露在高温燃气环境中,加速材料性能的退化,严重影响飞行安全。合理的强度评判标准以及寿命预测模型可以有效减小服役过程中热障涂层失效,提高发动机可靠性。介绍了热障涂层的损伤机理、寿命分析技术的发展现状,展望了航空发动机热障涂层寿命分析技术的发展趋势。     

高红外反射率稀土氧化物掺杂YSZ/YSZ多层结构热障涂层

由于先进航空发动机工作温度的不断提升,迫切需要提高热障涂层的隔热效果和工作温度。本工作设计并制备一种新型的稀土氧化物掺杂YSZ/YSZ多层结构热障涂层,对涂层的微观组织、热导率及红外热反射率进行表征,研究稀土氧化物掺杂多层结构热障涂层材料微观结构对涂层相结构、热导率及红外热反射率的影响。结果表明:多层结构涂层表现为(200)择优取向,层数增多有助于降低涂层的热导率并提高其热反射率;具有200个亚层的等厚比多层涂层的热导率为1.1~1.16 W/m·K,比普通的单层YSZ下降了11%,红外热反射率可达48%~55%。     

航空发动机热障涂层材料体系的研究

介绍了热障涂层的结构、陶瓷表层材料和中间粘结层的材料发展趋势。热障涂层的结构已由经典的双层结构向成分、结构连续变化的梯度结构发展,涂层的寿命有明显的提高。制备方法中电子束物理气相沉积技术具有明显优势。热障涂层表层材料的最佳成分是(质量百分数6%～8%)Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷材料。粘结层体系发展的一个重要趋势是能同时保证力学性能和抗氧化性能的低Al含量NiCoCrAlY。     

稀土钽酸盐在热障涂层中的研究与应用

热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是推进超高速飞行器与先进航空发动机发展的关键技术。目前最常用的热障涂层材料是氧化钇稳定氧化锆(YSZ),但是由于其存在高温相变会产生体积差这一致命缺陷,已不能满足下一代发动机的发展需求。故而,开发新一代热障涂层已势在必行。经试验证明,采用固相法所制备的稀土钽酸盐致密块体具有更加优异的热物理性能和机械性能:极低的高温热导率(1.1～1.3W/(m·K),1000℃),相比YSZ系列热导率值下降了50%;更大的降温梯度(300～500℃);基于高温铁弹增韧机制的良好断裂韧性。此外,稀土钽酸盐作为非氧离子缺陷型热导化合物,是一种氧离子传输的绝缘体,能够有效阻止热氧化物(Thermal Growth Oxidies,TGO)层的生长,大大延长热障涂层的热循环使用寿命,有望成为新一代应用于超高速飞行器和航空发动机的热障涂层材料。     

激光重熔等离子喷涂纳米氧化锆热障涂层组织与性能

采用等离子喷涂纳米氧化锆(ZrO_2-8%Y_2O_3)团聚粉末制备了纳米氧化锆热障涂层,利用连续CO_2激光对其进行重熔处理.以常规热障涂层作为比较对象,研究了纳米氧化锆热障涂层和激光重熔涂层的组织结构、硬度、抗热冲击性能.结果表明:纳米氧化锆热障涂层组织结构为独特的纳米-微米复合结构,主要有柱状晶和未熔融或部分熔融纳米颗粒组成;激光重熔热障涂层的组织结构为表面等轴晶+断面柱状晶.硬度试验和抗热冲击性能试验综合比较结果显示:相对于常规氧化锆热障涂层,纳米氧化锆热障涂层和激光重熔热障涂层拥有更好的性能.因此将纳米技术和激光重熔表面处理技术与等离子喷涂技术结合起来制备热障涂层是提高热障涂层性能的非常有前景的工艺方法.     

纳米结构热障涂层的制备与性能研究

为充分发掘氧化锆(YSZ:ZrO2-6wt%Y2O3)基热障涂层的潜力,利用纳米级的YSZ粉末作为陶瓷涂层原材料,分别对采用等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)沉积具有纳米结构陶瓷涂层的工艺过程进行全面研究.对比性试验结果表明,涂层中引入纳米结构使热障涂层具有更高的隔热效果,更高的硬度以及更高的抗剥落能力.并对纳米结构陶瓷涂层微观结构的高温稳定性进行研究分析.     

等离子喷涂LaTi2Al9O19热障涂层的微观组织结构及热物理性能

 第一代热障涂层(TBCs)由氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷隔热层和金属粘结层组成,该涂层长期使用温度低于1 200℃。随着先进航空发动机向着高推重比发展,迫切要求发展新一代超高温、高隔热热障涂层材料。LaTi₂Al₉O₁₉(LTA)在1 500℃长期保持相稳定,是一种非常有前景的超高温热障涂层候选材料。本文采用大气等离子喷涂(APS)制备了LTA涂层,研究了喷涂工艺对涂层微观组织结构和热物理性能的影响。结果表明沉积态涂层中含少量的非晶态,在860℃和1 130℃出现晶化峰。等离子喷涂过程中La₂O₃挥发量较多,导致沉积态涂层中La元素与原始粉末相比含量偏低,而其他组分的化学成分随喷涂功率变化不大。LTA涂层的热扩散系数在1 400℃下为0.3~0.4 mm²·s^-1,热导率为1.1~1.6 W·m^-1·K^-1。1 050℃经过20小时热处理后,得到晶化的涂层在晶化温度范围内的热扩散系数和热导率值均增大。随着喷涂功率减小,涂层孔隙率增加,热导率减小。     

航空发动机用热障涂层的发展

介绍了航空发动机用热障涂层的组成和性能，讨论了热障涂层的等离子喷涂和电子束蒸发物理气相沉积工艺、寿命预测模型及不断扩大的应用范围。     

热障涂层服役环境模拟实验方法

热障涂层的服役工况恶劣、存在多耦合因素作用的失效机制和自身复杂多界面多相特征,使其研究极具挑战性。热障涂层的性能主要由其特殊的成分和微结构决定,在服役过程中受到温度、时间、环境等因素导致涂层发生退化。热障涂层使役性能评价是涂层性能改进和新涂层研发的必要途径,为了合理评价涂层寿命和深入研究涂层组织结构及性能演变规律,利用高温炉、火焰、红外灯、激光等不同热源,建立具有快速升降温、温度梯度模拟、腐蚀及CMAS沉积环境模拟、交变载荷功能的服役环境模拟实验装置,以获得低成本、测试条件灵活可控的表征手段及方法,用来研究涂层的失效机制、改善涂层材料及工艺和快速评价涂层的耐久性。     

航空发动机和工业燃气轮机热喷涂热障涂层用金属黏结层:回顾与展望

超音速火焰喷涂制作的金属黏结层加料浆喷涂制作的柱状晶结构陶瓷隔热层被视作新一代航空发动机和燃气轮机用热喷涂热障涂层,其中采用的MCrAlY金属黏结层正朝着长寿命、低成本、适用于新燃料的方向发展。本文综述近年来航空发动机和燃气轮机热端部件热障涂层用MCrAlY金属黏结层研究进展,并对涂层的结构设计与成分设计进行探讨。     

工艺动态

热障涂层的有孔薄膜热障涂层 (ＴＢＣｓ)是涂覆在表面防止高温的低导热性材料层 ,它可保护涡轮发动机部件免受高温损坏。在涡轮发动机中 ,增加了工作温度就增加了燃料效率 ,减少了散热。发动机关键部件通常在额定熔化温度以上运转 ,这些零件由于热疲劳或氧化作用而损坏成为主要问题 ,除非采用降低表面温度的方法。ＴＢＣｓ的作用是 :用低导热性材料薄膜喷涂敏感部件 ,有效地与高温隔离。新的热障涂层方法是对热障涂层的部件沉积薄膜。采用控制底材运动 ,以另一种形式真空沉积有孔层和表层 ,形成新的多层薄膜结构。用 3Ω和Ｍｉｒａｇｅ技术…     

陶瓷热障涂层的研究进展

综述了陶瓷热障涂层的材料体系研究进展，分析了陶瓷热障涂层的制备工艺、组织特点及其对涂层性能的影响，并指出了热障涂层今后的发展方向。