新型热障涂层陶瓷隔热层材料

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是先进燃气涡轮发动机核心热端部件高压涡轮叶片的关键技术,已经在航空发动机和地面燃气轮机上获得成功应用的热障涂层陶瓷隔热层材料为氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)。由于受高温稳定性、隔热性能等的局限,YSZ已不能满足下一代航空发动机的发展要求。本文介绍了近年来国内外在多元氧化物掺杂氧化锆、A_2B_2O_7型烧绿石或萤石化合物、磁铅石型六铝酸盐化合物、石榴石型化合物、钙钛矿结构化合物和其他新型氧化物陶瓷等先进超高温热障涂层陶瓷材料方面的研究进展,并展望了今后超高温热障涂层陶瓷材料所面临的挑战和发展动向。     

稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层的制备及其高温性能

针对我国某型航空发动机涡轮叶片用DZ125与DZ406高温合金,开展了稀土氧化物改性氧化锆/铂铝热障涂层体系的制备工艺及涂层高温性能研究。采用电镀Pt和气相渗铝的工艺制备了PtAl金属粘结层,研究了镀Pt前处理、不同镀Pt层厚度以及渗铝温度等关键工艺参数对涂层的微观结构和抗高温氧化性能的影响规律。采用优化后的涂层工艺制备的PtAl粘结层在1150℃时的抗氧化性能优异。采用电子束物理气相沉积（EB–PVD）在PtAl粘结层表面制备了稀土氧化物改性的氧化锆（GYb–YSZ）陶瓷涂层。由GYb–YSZ和Pt Al组成的热障涂层在1050℃热循环4320次（1050℃保温时间720 h）后,涂层表面状态完好,未发现明显剥落现象,表明该热障涂层体系具备良好的热循环性能。     

“热障涂层”主题征稿

选题背景现代航空发动机提高涡轮前进气温度,除了采用单晶高温合金,双层壁冷却技术、气膜冷却等冷却技术之外,还有一个重要技术就是热障涂层。热障涂层可以显著降低涡轮叶片的表面温度,大幅度延长叶片的工作寿命,提高发动机的推力和效率,因此热障涂层与叶片冷却设计技术、单晶高温合金材料技术并列,是先进航空发动机叶片的三大核心技术之一。     

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。     

热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用

热障涂层是提高航空发动机涡轮叶片工作温度的有效途径之一。根据某型发动机高压涡轮工作叶片、导向器叶片的结构特点和各种涂层制备技术的优缺点,制定了工作叶片和导向叶片表面底层、面层和内腔的涂层制备方案。对工作叶片、导向器叶片材料试样表面涂层的性能开展一系列测试试验。结果表明:涂层性能满足要求,涂层制备方案合理可行;对工作叶片、导向器叶片内表面涂层的厚度,气膜孔径的影响以及质量增加情况进行测量分析,结果均满足设计要求,表明涂层制备工艺合理可行。     

“热障涂层”专题序言

正热障涂层,简称TBCs,是将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式涂覆在合金表面、以降低高温服役环境下合金表面温度的一种热防护技术。热障涂层应用于燃气发动机涡轮叶片,可以显著提高发动机的工作效率和推力,同时可降低叶片合金的工作温度,从而大幅度提高发动机的寿命和可靠性,是先进航空发动机不可缺少的一项关键技术。有关热障涂层材料、制备科学以及表征等方面的研究一直是国际上表面与界面科学领域的研究热点,受到材料、物理、化学、力学、传热学等多领域科学家的高度关注。自20世纪90年代开始,美     

航空发动机叶片用热障涂层的现状

航空发动机性能的要求对叶片的涂层提出了技术及经济上的挑战。本文对发动机涡轮叶片热障涂层的发展作了综合叙述，重点对美、法及独联体国家不同涂层工艺及所用的涂层材料技术作了说明。最后指出了今后的研究及发展方向。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

带热障涂层涡轮冷却叶片冷却特性计算方法研究

阐述了航空发动机高温涡轮冷却叶片热防护系统流体动力与冷效特性计算方法。计算方法考虑了叶片隔热涂层对发动机气冷叶片冷却效果的影响,在发动机过渡态工作过程中考虑了叶片和隔热涂层的瞬态热传导,建立了瞬态带隔热涂层复合涡轮冷却叶片流体动力与冷效特性计算的计算模型,并完成了相应的程序编制。     

热障涂层在线/离线磷光温度测量技术研究进展

精确测量涡轮叶片表面热障涂层温度对航空发动机和地面燃气轮机设计和研制具有极其重要的意义。近年来,基于热像磷光材料磷光特性的热障传感涂层在线测温技术与热历史磷光涂层离线测温技术得到了迅猛发展。前者通过在线测量高温下磷光信号来获取实时温度信息,后者通过离线测量经高温服役后的磷光材料不可逆磷光信号变化来获取服役温度信息。这两项技术都适用于高温、高腐蚀环境下热障涂层非干涉、非接触式和高精度温度测量,具有广阔的应用前景。从热障涂层在线/离线测温原理与方法、磷光材料与制备及应用3个方面详细介绍了热障涂层在线/离线测温技术的研究现状与技术特点,并对这两种技术的发展进行了展望。     

锆基陶瓷热障涂层的腐蚀研究进展

近年来随着航空与航海工业的迅速发展,具有耐高温、长寿命、耐腐蚀等优势的发动机叶片成为开发新一代航空发动机和涡轮发动机的重要一环。热障涂层（TBCs）作为常用的热防护技术,一方面可为发动机叶片部分金属基底提供隔热保护,使其免受高温气体的影响;但另一方面,更高的发动机工作温度使得叶片及其表面TBCs遭受严重的环境沉积物腐蚀,造成过早失效,腐蚀类型主要有热腐蚀、CMAS腐蚀、熔盐腐蚀等。腐蚀已成为限制TBCs工作温度和服役寿命的难题,抗腐蚀防护是目前TBCs领域研究的重点。本文首先简述了以氧化钇稳定氧化锆陶瓷（YSZ）为主的热障涂层材料的主要特性,再简述了TBCs的不同腐蚀的反应机理,重点从涂层的微观结构设计、梯度涂层的设计、涂层成分改性及掺杂改性等方面与涂层腐蚀过程之间的影响关系出发,阐述了TBCs改性方法与涂层腐蚀的特点。提出未来涂层改进与防护的几种方法,最后对TBCs的腐蚀防护发展方向进行了展望。     

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。     

CMAS环境下热障涂层的损伤机理及防护策略

随着先进航空发动机向高推重比和高热效率发展,涡轮前进口温度显著提高,航空发动机叶片热障涂层(TBCs)在高温服役过程中受火山灰、飞灰、跑道磨屑、工业烟尘、汽车尾气及PM2.5等环境沉积物的侵蚀愈来愈严重。这些沉积物的主要化学成分为CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(CMAS),其熔点约为1 240℃,远低于发动机的服役温度。环境CMAS被吸入发动机中后,将迅速熔融并渗入TBCs结构内部。一方面,CMAS对叶片表面造成物理冲击与破坏,熔融态的CMAS还会导致气膜冷却孔堵塞,引起冷效降低与叶片温度-应力场的改变;另一方面,熔融CMAS与叶片涂层发生化学反应,导致叶片TBCs腐蚀剥落及过早失效,服役寿命大幅度下降。解决叶片TBCs表面CMAS沉积和腐蚀的问题是目前先进航空发动机TBCs研究领域的重点和难点,而掌握不同环境下CMAS的物理化学特性更是研制抗CMAS热障涂层的基础。本文阐述了CMAS的成分与流变特性及TBCs在CMAS环境下的热化学、热力学失效机理,并简述了目前国际上有关涂层组织结构优化、阻渗层和牺牲层等CMAS...     

电子束物理气相沉积LaZrCeO热障涂层微结构与热循环性能

热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)是一种由金属黏结层、热生长氧化物层和陶瓷面层组成的金属-陶瓷复合系统,在先进的航空发动机领域上引起了广泛的关注,但目前先进热障涂层的热循环寿命提升和失效行为研究仍然是一个难点。本研究采用电子束物理气相沉积技术(electron beam physical vapour deposition,EB-PVD)制备LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层,研究热障涂层的相结构、显微组织和失效行为。结果表明:LaZrCeO/YSZ涂层为烧绿石与萤石结构组成的复合涂层材料,LaZrCeO/YSZ涂层的微观结构由羽毛状纳米结构和柱内孔隙组成;在1100℃热循环条件下,LaZrCeO/YSZ双陶瓷层热障涂层展现了良好的热循环寿命;热循环实验后,由于应力累积的作用裂纹在热生长氧化层(TGO)中萌生并扩展,包括水平裂纹和垂直裂纹两大类,进而引起整个涂层体系的不稳定,最终导致涂层失效。     

涡轮叶片涂层制备技术的研究

随着航空发动机推重比的提高（大于１０）,涡轮进口温度达到１８５０～２０００Ｋ,要求热端部件采用具有抗高温抗腐蚀高性能的热障涂层（ＴＢＣ）保护。因此,ＴＢＣ涂层的研究和制备已成为新机研制的重要课题。１涂层制备的实践６０年代,我国某发动机涡轮叶片是在无涂...     

飞秒激光带热障涂层叶片气膜孔加工技术研究进展

航空发动机涡轮叶片采用热障涂层技术和气膜孔冷却技术可以大大提升叶片的耐温能力,因此可以显著提高发动机的工作温度使其具有更高的推重比和效率。而在带有热障涂层叶片上实现高品质和高精度冷却气膜孔的加工是发动机制造技术的难点。由于飞秒激光加工具有材料无选择性、无热影响区及加工精度高等特点,因此飞秒激光成为加工带热障涂层叶片气膜孔的研究热点。阐述了飞秒激光与叶片涂层和基体材料的作用原理和飞秒激光微孔加工的技术特点,介绍了飞秒激光带热障涂层叶片气膜孔加工技术的研究过程和发展现状,展望了该技术在高精度带热障涂层叶片气膜孔制造中的应用前景。     

涡轮叶片热障涂层在CMAS 环境下的失效分析

对于多台份某型发动机在试车后出现的带热障涂层涡轮叶片表面附着较多环境沉积物CMAS进而导致热障涂层脱落 失效的故障,通过宏观形貌观察、化学成分分析、微观结构分析等方法对CMAS分布规律、成分特征和失效模式进行了分析。结果 表明：CMAS沉积物在叶盆面较厚、叶背面较薄,靠近缘板处较厚、叶身中部位置较薄,进气边较厚、排气边较薄;厚度较薄处的附 着物颗粒细小、分布均匀,较厚处的附着物结构较疏松,大多呈块状不均匀分布;涡轮叶片热障涂层表面沉积物及气膜孔堵塞物的 成分以CMAS为主,同时还有中低温部件碰摩磨屑生成的Fe2O3、TiO2和NiO;由CMAS腐蚀引发的热障涂层失效模式主要有气膜孔 堵塞引发周围涂层烧结失效、涂层表面和内部应力失配、陶瓷层柱状晶被冲击撞断以及8YSZ热障涂层被溶解。     

等离子体辅助电子束物理气相沉积制备热防护涂层

电子束物理气相沉积(Electrom Beam-Physical Vapor Deposition,EB-PVD)是制备航空发动机热防护涂层的一种重要技术手段。采用等离子体辅助技术可进一步实现EB-PVD涂层的结构改性和性能提升。对等离子体辅助EB-PVD技术的研究现状进行了简要综述,并对等离子体辅助EB-PVD制备航空发动机MCr Al Y抗氧化涂层、氮化物抗冲蚀涂层及YSZ热障涂层研究进行了介绍。     

高推重比发动机热障涂层应用现状分析

介绍了热障涂层(TBC)的主要材料和制备工艺,分析了TBC在国内外航空发动机中的典型应用实例。目前工程应用的TBC多为由金属底层和陶瓷面层组成的双层结构,金属底层采用MCr Al Y包覆型涂层或Pt-Al(或Al)渗层,陶瓷面层采用YSZ涂层。美国的航空发动机中,体积较大的静子零件多采用VPS MCr Al Y底层+APS YSZ面层的TBC,体积较小的转动零件主要采用Pt-Al渗层(或EB-PVD MCr Al Y)+EB-PVD YSZ面层的TBC。我国的航空发动机中,燃烧室浮动瓦片和高压涡轮导叶等零件采用了TBC,其主要技术难点在于涂层的厚度均匀性控制、表面粗糙度控制以及涂层对气膜孔影响的控制等方面。     

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。