氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展

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1、2010年第36卷第6期Vol.36No.6Dec.2010氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展孙福波,涂泉（贵州红湖机械厂，贵州561116）摘要：介绍了氧化锆热障涂层（TBCs）的特性、制备方法及其特点，分析了TBCs在航空发动机上的应用情况，并对TBCs技术的发展做出了展望。关键词：氧化锆热障涂层；航空发动机；热端部件；高温防护ApplicationandDevelopmentofZirconiumOxideThermalBarrierCoatingonAeroengineSUNFu-bo,TU

2、Quan(GuizhouHonghuMachineryPlant,Guizhou561116,China)Abstract:Thecharacteristicandmanufacturingmethodofthezirconiumoxidethermalbarriercoating(TBCs)wasintroduced.TheapplicationofTBCswasanalyzedonthe孙福波（1962），男，工程师，从事航空发动机热障涂层、耐磨涂层、封严aeroengine.Theprospecto

3、fTBCstechnologywasalsoperformed.涂层的工程应用研究。Keywords:zirconiumoxidethermalbarriercoating;aeroengine;hotsectioncomponent;high-temperatureprotection收稿日期：2010-04-22热温度，推重比10一级发动机要代航空发动机的关键技术之一，1引言求达到100～150℃，推重比15一一般由金属黏结层和陶瓷面层组对氧化锆热障涂层（TBCs）的级发动机要求达到150～200℃，

4、成。作为热障涂层的陶瓷材料具研究始于20世纪40年代末，于同时，还要求TBCs具有抗高温腐有高熔点、低热导率、低辐射率和60年代初应用在JT8D发动机燃蚀和高温氧化的作用，抗氧化温高反射率等特点，采用电子束物烧室内壁。到80年代末，随着发度达到1250℃。理气相沉积EB-PVD技术和等离动机推重比的提高，发动机热端本文对TBCs的特性和不同子喷涂技术制备，喷涂在发动机部件需承受的温度大幅度提高，制备方法以及在航空发动机上的热端部件（如火焰筒、加力燃烧而相关材料的承温能力有限，因应用情况和发展需求进行了阐述

5、。室、涡轮叶片）的表面，将部件与此，在应用先进冷却技术的同时，高温燃气隔绝开来，以降低部件2基本特性和制备方法TBCs作为减少冷却气体、延长部的工作温度，并保证部件免受燃件寿命的1种重要工艺手段而受2.1基本特性气的高温腐蚀与冲蚀。到重视。进入21世纪，对TBCs隔TBCs亦称热屏蔽涂层，是现目前，TBCs应用最多的是氧孙福波等：氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展54/55化钇部分稳定的氧化锆（ZrO2）材3.2等离子喷涂特点3热障涂层制备方法及各料。该材料的涂层具有在氧化性（1）优点。射流温度高，

6、能喷种方法的优缺点介质中十分稳定，热导率和电导涂一切有固定熔点的材料；射流发动机涂层制备技术主要包率低，抗熔融金属介质侵蚀能力速度大，涂层结构力比较高；被喷括等离子喷涂、电子束物理气相强等特点，与金属或碳接触的使涂的工件不受限制（复杂零件除沉积和离子注入。用温度为1700～2090℃。外），温度低于200℃，基体一般等离子喷涂包括大气等离子TBCs一般不使用纯ZrO2粉不变形，也不发生组织变化。喷涂、层流等离子喷涂、真空等离末。因为纯ZrO2粉末在高温下的（2）缺点。涂层与基体的黏结子喷涂、轴向送粉等离子

7、喷涂，溶晶型转变会使其发生较大的体积仍以机械结合为主，不宜承受振液等离子喷涂是最新发展的涂层动、冲击等重负荷；操作环境较恶变化而产生剥蚀现象。在加热过制备技术。劣，要求采取劳动保护和环境保程中，伴随着约7%的体积收缩；3.1大气等离子喷涂护措施；影响涂层质量的因素多，而在冷却过程中，则产生超过7%等离子喷涂技术主要用于导且难以对涂层质量进行非破坏性的体积收缩。在每次加热和冷却向叶片。检查。过程中，ZrO2随着晶型转变而发3.1.1大气等离子涂层形成[2]3.3电子束物理气相沉积生的体积收缩是不可逆的。每一

8、大气等离子平台涂层的形成电子束物理气相沉积技术循环残存的不可逆的体积变化经过程如图2所示。(EB-PVD)属于溅射镀，主要用于积累，形成很大的热应力，使其发工作叶片。生开裂和剥落而失效。因此，ZrO2EB-PVD是指在真空状态不能用于1000℃以上的抗热震下，利用具有高能量密度的电子[1]涂层，如图1所示。束轰击沉积材料（金属、陶瓷等），使之熔化、蒸发，并在基体上凝结沉积，形成涂层———具有有序结（a）构、彼此分离的柱状晶体。