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1、第28卷第9-10期中国材料进展Vol128No19-102009年10月MATERIALSCHINAOct12009先进航空发动机热障涂层技术研究进展郭洪波,宫声凯,徐惠彬(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京100191)摘要:评述了先进航空发动机热障涂层技术的重要意义。介绍了近年来国内外在热障涂层材料、涂层制备技术等方面的研究进展,最后展望了下一代高性能航空发动机热障涂层的研究和应用前景。关键词:热障涂层;航空发动机;材料;制备。+中图分类号:V232;V2611933文献标识码:A文章编号:
2、1674-3962(2009)09-0018-09ProgressinThermalBarrierCoatingsforAdvancedAeroenginesGUOHongbo,GONGShengkai,XUHuibin(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)Abstract:Thesignificanceofthermalbarriercoatings(TBCs)foradvanceda
3、eroengineswashighlighted.Recentpro2gressinthermalbarriercoatingmaterialsinvestigationandrelatedprocessingtechniqueswasreviewedintheworldsphere.TheprospectofTBCsfornextgenerationaeroengineswasalsoanticipated.Keywords:thermalbarriercoatings(TBCs);aeroengin
4、es;materials;processing的高性能航空发动机高压涡轮叶片技术的三大关键前言技术。随着航空发动机向高推重比发展,发动机的设计进热障涂层是将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材料口温度不断提高。推重比为10一级航空发动机涡轮前涂覆在基体合金表面,以提高基体合金抗高温氧化腐蚀进口温度(TIT)已达到1950K左右,推重比12～15发能力、降低合金表面工作温度的一种热防护技术。TBCs动机的TIT将达到2100K以上,而推重比15～20发动是下一代军用航空发动机必不可少的关键技术,同时对机的TIT
5、将达到2350K以上。涡轮前进口温度的大幅在研、在役的军机、民机同样意义重大。有资料表明,度提升无疑对发动机热端部件高温合金材料提出了更高一级涡轮叶片表面涂覆TBCs后,可使冷却空气流量减的要求。以发动机核心部件高压涡轮叶片为例,采用气少50%,比油耗减少1%～2%,叶片寿命提高数倍。膜冷却技术最大可使工件表面温度降低约500K,要求另外,TBCs在舰船、汽车、能源等领域的热端部件上推重比10一级发动机叶片表面的工作温度达到1170℃也有广泛的应用前景。以上,而推重比12～15及15～20一级发动机叶片
6、工作近十多年来,国内外科学家针对TBCs材料、涂层温度将更高。目前最先进镍基高温合金单晶的使用温度制备、性能表征及寿命预测等方面展开了广泛而深入的不超过1150℃,且已接近其使用温度极限,单独使用研究,研究领域涉及材料、物理、化学、力学、计算高温结构材料技术已不能满足先进航空发动机迅速发展学、热学等多门学科的交叉。本文简单介绍了近年来国的迫切要求,采用热障涂层技术是目前大幅度提高航空内外在先进热障涂层材料以及涂层制备技术方面的研究发动机工作温度的唯一切实可行的方法。在美国、欧洲进展。以及我国的航空发动机
7、推进计划中均把热障涂层技术先进热障涂层材料(TBCs)列为与高温结构材料、高效叶片冷却技术并重1热障涂层材料研究收稿日期:2009-09-08热障涂层主要有双层、多层和梯度3种结构形式,通信作者:徐惠彬,男,1959年生,博士,教授,博士生导师但目前在燃气涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均第9-10期郭洪波等:先进航空发动机热障涂层技术研究进展19为双层结构,如图1a所示。表层为陶瓷隔热层,主要作用是隔热、抗腐蚀、冲刷和侵蚀。底层为金属粘结层,起着改善基体与陶瓷涂层物理相容性和抗高温氧化腐蚀的作用。航
8、空发动机涡轮叶片工况非常复杂和恶劣,在服役过程中承受机械载荷、大温度梯度冷热循环、高温高压燃气烧蚀和冲刷、外来物撞击以及环境腐蚀等。图1b为1100℃高温氧化100h后的热障涂层截面形貌。在金属粘结层表面形成了热氧化生长层(TGO),另一方面,由于基体与金属粘结层之间互扩散,在基体内部形成了二次析出相。图2各种氧化物的熔点和热导率Fig12Meltingpointandthermalconductivityofvariousoxides-6
