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1、航空发动机叶片用热障涂层的现状中国航空信息中心陈林[摘要]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。关键词:航空涡轮发动机叶片防护涂层热障涂层[Abstract]Performancerequirementsofaeronauticalenginespresentanimportantchallenge,bothtechnicalandeconomical,tothecoating
2、sdesignedtoprotectthevanesandblades.Acompre2hensivedescriptionisgiventothedevelopmentofthermalbarriercoatingsforturbineairfoilswithfocusonUSA,FrenchandCIScoatingprocessesandmaterialstechnology.Finallythefuturere2searchanddevelopmentarebrieflyoutlined.Keywords:Aircraftturbi
3、neengineairfoilsProtectivecoatingsGradientthermalbarriercoatings热障涂层是由150～300Lm的陶瓷氧化物层与更高。具有自适应性的中间层组成的一种热防护系统。从在实际应用中,热障涂层的效益视具体的应用70年代被开发以来,热障涂层已先后在燃烧室及涡而异。不过这些效益在很大程度上会与应用带来的轮静子叶片、环形件上获得应用,并在近两年在美国缺点相抵消,这些缺点是:转子叶片载荷的增加从而普õ惠公司的JT9D、PW2000、PW4000的一级转子叶影响盘的寿命,叶型气动力损失,加工成本提
4、高。但片以及通用电气公司的F414、CF6280C2以及一般来说,总效益是有利的,因此在发动机中工作温CFM565a等发动机上获得了成功的应用。有资料报度最高的冷却叶片从一开始设计就考虑了热障涂道,在第3代单晶叶片上也将采用这种涂层系统。层。1技术经济效应2中间层的选择热障涂层的应用有明显的经济效益,特别是在航空发动机中工作温度最高的转子叶片构件在气冷叶片上的应用可收到显著效益。氧化及腐蚀环境中承受1100℃高温的疲劳及蠕变载(1)主要提高了发动机的涡轮进口温度从现荷。涂层的目的在于防止高温合金受氧化剂的作用。有的ZrO22Y2O3涂层使用
5、潜能来看,可以将涡轮进口在叶片服役过程中,热障涂层中的渗铝层或温度至少提高110℃,接近推重比20发动机要求提高MCrAlY中的铝通过缓慢的扩散形成一种防氧化的的150℃的目标,即:使涡轮进口温度达到1575～氧化铝层。由于在寿命期,涂层要进行翻修,因此可1675℃。不过目前实际应用中提高的效益为17～以提供足够的铝来形成氧化铝,满足寿命期的需要。28℃,还远未发挥其潜力。(2)延长了叶片的寿命在其他条件不变的情在生产上,简单的固体渗铝已被渗铝铂或铝铬况下,厚200Lm的热障涂层可以使金属温度降低取代。近年来,法国航空航天研究院研究用钯来取
6、代50℃,使高压转子叶片前缘的蠕变疲劳寿命延长3倍铂,其抗氧化和抗热腐蚀性相当于最好的铝化物。以上,同时由于削去了局部的或瞬态的温度峰值,从但取代试验未进行到底,因得到的铝钯涂层有脆性。而消除了大的热机械疲劳损伤。脆性的来源可能是施加涂层时氢的吸入。为了避免(3)减少了来自压气机的冷却气流量200Lm的热障涂层,可以减少15%的冷却气流,从而节省这一问题,已提出用预先镀镍2钯来代替镀钯,因氢0.4%的耗油率。在镍2钯中的溶解度极小。根据Lamesle的看法,钯(4)简化冷却通道设计从而降低加工成本在氧化后形成B2NiAl(Pd),减缓镍而促
7、进了铝的扩散,其他条件相同情况下,导热系数为1.9WömõK(气相可以较迅速地提供铝来形成所需的氧化铝层。目前沉积的以氧化钇稳定的氧化锆)的涂层,可以将表面这种涂层已转入工业化生产,并用于直升机发动机温度提高180℃,而将金属温度降低50℃;对于等离上。子沉积涂层,其导热系数可达到1.1WömõK,效益还在改质铝化物涂层开发的同时,又将惰性气体航空制造工程—9—等离子喷涂及电子束气相沉积工艺用来实现这种涂室用、试生产用及生产用的设施。在西欧,国际涡轮2层。这样,在涂层中可以引入足够量的铬、钇之类元巴顿公司(荷兰)从独联体引进了此项工艺,英国
8、素,铬有利于抗腐蚀,钇有利于在热循环条件下增加Chromalloy公司有一台沉积陶瓷用的设备。氧化铝层的结合力。还有人提出加入钽以及加入铂。物理沉积的陶瓷柱状晶结构使陶瓷具有变形
