航空發動機的熱障塗層

熱障塗層的中國創新

現代航空發動機提高渦輪前進氣溫度，除了前面談到過的單晶高溫合金，雙層壁冷卻技術、氣膜冷卻等冷卻技術之外，還有一個重要技術就是熱障塗層。所謂熱障塗層（TBC）是采用耐高溫、低導熱的陶瓷材料塗覆在渦輪葉片表面形成塗層，以降低高溫環境下渦輪葉片表面溫度的一種熱防護技術。熱障塗層可以顯著降低渦輪葉片的表面溫度，大幅度延長葉片的工作壽命，提高發動機的推力和效率，因此熱障塗層與葉片冷卻設計技術、單晶高溫合金材料技術並列，是先進航空發動機葉片的三大核心技術之一。
航空發動機的熱障塗層

熱障塗層的結構體系

2019-04-20 20:13 #1

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航空發動機塗層

阿斯特怒伯爵ρσπ

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我們首先來了解一下熱障塗層的結構體系，目前，國際上有三種主流熱障塗層結構體系。美國的雙層結構、歐洲的梯度結構和中國的梯度粘結層結構。雙層結構外層為熱障陶瓷層，中間為粘結層。這種雙層結構制備工藝簡單 ,具有良好的抗氧化隔熱作用。但粘結層與陶瓷層的界面明顯，熱膨脹系數在界面躍變較大，在熱載荷的作用下，在塗層內部將産生較大應力，使抗熱震性能難以得到進一步提高，通俗的講就是在反複受熱過程中容易剝落損壞。陶瓷層越厚，隔熱效果越明顯，但塗層與基材的溫差越大，在界面處産生的熱應力越大，越容易于剝落。

多層系統是在雙層基礎上多加了幾層封阻層或隔熱層。在高溫工作環境中封阻層可以降低氧通過陶瓷層向粘結層的擴散速度，從而使這種多層結構能有效地防止粘結層氧化，但這種系統對抗熱震性能改善不大，且熱力學行為和制備工藝比較複雜，因而逐漸被梯度塗層所取代。

梯度系統是在陶瓷層和基體之間采用成分、結構連續變化的一種系統。它可以減小陶瓷層與粘結底層因熱膨脹系數不同而引起的熱應力，提高塗層的結合強度和抗熱震性能。梯度塗層消除了層狀結構的明顯層間界面，使塗層內部的力學性能和線膨脹系數連續過渡，因此得到廣泛重視。

而梯度粘結層結構針對雙層結構存在明顯界面的問題，在金屬層和陶瓷層中間加入氧化粘結層，實現由金屬層和陶瓷層之間成分連續變化、結構的梯度過渡，從而提升抗熱震、氧化以及隔熱等性能，延長熱循環壽命。

從1996年起，北京航空航天大學徐惠彬、宮聲凱團隊開展了新型梯度粘結層熱障塗層(GBTBC)的研究，研究成果對推動我國TBC在航空、艦船和地面燃氣輪機葉片上的應用起到了重要作用，GBTBC在我國多個型號燃氣渦輪發動機上獲得了應用。

采用等離子噴塗技術制作熱障塗層

這是熱障塗層在結構體系方面的狀況，下面我們來看看熱障塗層在材料體系方面的進展。國外傳統的熱障塗層材料一般使用的是氧化锆基陶瓷（YSZ），目前這還是用的最為廣泛的熱障塗層材料。在不同的使用部位和厚度的情況下，可以使材料承受的溫度降低50~150℃。但是氧化锆熱障塗層也有缺點，氧化锆基材料在1100~1200℃之間會發生相轉變，而材料一旦發生相變，其晶體結構和性質會發生變化，在1200℃以下使用時，氧化锆基材料具有比較良好的性質，但是隨著溫度超過1200℃並繼續升高，氧化锆基材料的壽命會呈指數級下降。所以要想獲得更高的使用溫度就必須尋找其它性能更好的陶瓷材料。

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近年來，北航徐惠彬、宮聲凱團隊另辟蹊徑，開發了铈酸镧作為熱障塗層材料，該材料在室溫至1500℃溫度區間無相變，熱傳導系數低，約為YSZ的1/3左右，是非常具有應用前景的熱障塗層陶瓷層材料。熱傳導系數低，就意味著可以獲得更好的隔熱效果。在此基礎上北航徐惠彬、宮聲凱團隊研制出了耐1300℃以上高溫的新型超高溫熱障塗層LC，實現了1300℃級別超高溫熱障塗層在先進航空發動機上的應用。這是1300℃級別熱障塗層材料技術的重要突破，在國際上率先實現了在先進航空發動機關鍵熱端部件上的試用，達到國際領先水平。這一研究成果在我國航空發動機主要生産企業全面推廣應用，采用這一塗層生産的葉片占我國目前塗有熱障塗層的航空發動機葉片總數的95%以上。這項技術與裝備獲2016年國家技術發明一等獎。

1300℃的工作溫度，這在當時是一個世界記錄，但是這一記錄沒過多久就被打破了。2018年，昆明理工大學馮晶教授帶領團隊研制出了新型稀土钽酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料，這是一種性能更好的熱障塗層材料，工作溫度可以達到1600℃，甚至1800℃。而且這一材料體系目前在國際上也只有馮晶教授領導的團隊在研究，可以說獨樹一幟。稀土钽酸鹽陶瓷材料的優勢是導熱率低，熱應力低，這樣就可以噴塗更厚的塗層，可以獲得更高的使用溫度。因為渦輪葉片內部也有冷卻空氣對流散熱，進入葉片內部的熱量會被迅速帶走。所以對熱障材料來說導熱率越低，能夠提供的冷卻溫度就越高。稀土钽酸鹽材料的另一個優點是具有非常好的高溫韌性，換句話說就是高溫下與渦輪葉片的附著性更好，有一定的彈性，不容易出現塗層剝落的情況。因為這一材料比氧化锆基材料具有更好的鐵彈相變增韌特性，這是其它常規陶瓷材料不具備的優點，稀土钽酸鹽材料會在高溫下形成鐵彈疇，大大提高了材料的高溫斷裂韌性。

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稀土钽酸鹽材料之所以能獲得非常高的使用溫度，原因在于和以往材料的導熱機制不同。氧化锆材料的導熱率低是因為其氧空位缺陷會引起聲子散射，從而降低了聲子熱傳輸的過程，這是它低熱導機制的本質。在高溫下，氧空位形成的低導熱材料是氧離子的導體，氧離子可以進入氧化锆材料並氧化塗層下面的合金層，在合金層表面形成一層氧化物。因為這層氧化物的熱膨脹系數和熱障塗層及合金層都不匹配，導致出現熱應力，在熱衝擊下容易造成整個熱障塗層脫落。而稀土钽酸鹽的低熱導機制是钽原子本身質量比較大引起的非諧效應，而並非氧空位。因此，稀土钽酸鹽材料是氧離子的絕緣體，在合金層出現熱氧化物的速度比低1000 倍以上，這意味著其高溫抗氧化性能要比氧化锆材料高1000倍以上，所以稀土钽酸鹽材料的壽命更長而且更不容易出現剝落損壞。

以上是馮晶團隊在熱障陶瓷層材料上取得的技術進展，不僅如此，馮晶團隊在熱障塗層粘結層材料上也取得了國際領先水平的成果。目前國際上常用的粘結層合金是NiCoCrAlY，但是它的高溫性能不佳，在超過1100℃後氧化速度非常快，因此工作溫度難以超過1100℃。馮晶團隊改進了這一材料，在其中增加了金屬鉑，或者是單獨增加了一個貴金屬粘結層，這樣可以讓粘結層在更高的溫度下工作，這種材料目前已經取得應用。

馮晶團隊不僅在熱障塗層材料體系上取得了突破，在熱障塗層結構體系上也實現了突破，將熱障塗層做到了8-10層，而之前全球範圍內也就是2-3層的技術水平。此外還開展了熱障塗層的激光3D打印技術研究。

借助這些熱障塗層材料及結構體系上的技術成果，馮晶團隊研制出了1600℃超高溫稀土钽酸鹽熱障塗層材料及其制備技術，創造了熱障塗層目前世界最高使用溫度，是目前國際上唯一能在1600℃下工作的超高溫熱障塗層，並且具備將工作溫度提高到1800℃的潛力。這一多級梯度功能熱障塗層材料不僅高效隔熱，同時還具有防腐蝕、抗磨損、長壽命的特點。相關成果已應用于××× 探空火箭及××× 高超音速導彈外表面防護和發動機塗層，實現了××× 重要型號的大國重器研制加速開發。可見這一技術不光可以用在航空上，在航天領域也有著廣泛的應用前景。可以說我國在熱障塗層技術上，已經從落後實現了跨越式的發展，整體技術水平已經居于國際領先水平。

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加油，中國隊，再接再厲～～ 100分

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這麼好的一篇乾貨文章，沒人回應嗎？有這項技術在，看來ws15的推力跟推重比有望大幅增加，尤其是最大軍推，ws15使用了太行發動機之前沒使用的單晶渦輪葉片，再加上這個更加先進的熱障塗層，相信ws15發動機一定能給我們帶來驚喜，難怪說地面初次台架試車ws15的推力就達到了18噸，而且還有進一步增加推力的潛力