氧化鋯熱障涂層在航空發(fā)動機上的應(yīng)用和發(fā)展

孫福波,涂 泉

（貴州紅湖機械廠，貴州561116）

1 引言

對氧化鋯熱障涂層（TBCs）的研究始于20世紀40年代末，于60年代初應(yīng)用在JT8D發(fā)動機燃燒室內(nèi)壁。到80年代末，隨著發(fā)動機推重比的提高，發(fā)動機熱端部件需承受的溫度大幅度提高，而相關(guān)材料的承溫能力有限，因此，在應(yīng)用先進冷卻技術(shù)的同時，TBCs作為減少冷卻氣體、延長部件壽命的1種重要工藝手段而受到重視。進入21世紀，對TBCs隔熱溫度，推重比10一級發(fā)動機要求達到100～150℃，推重比15一級發(fā)動機要求達到150～200℃，同時，還要求TBCs具有抗高溫腐蝕和高溫氧化的作用，抗氧化溫度達到1250℃。

本文對TBCs的特性和不同制備方法以及在航空發(fā)動機上的應(yīng)用情況和發(fā)展需求進行了闡述。

2 基本特性和制備方法

2.1 基本特性

TBCs亦稱熱屏蔽涂層，是現(xiàn)代航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一，一般由金屬黏結(jié)層和陶瓷面層組成。作為熱障涂層的陶瓷材料具有高熔點、低熱導(dǎo)率、低輻射率和高反射率等特點，采用電子束物理氣相沉積EB-PVD技術(shù)和等離子噴涂技術(shù)制備，噴涂在發(fā)動機熱端部件（如火焰筒、加力燃燒室、渦輪葉片）的表面，將部件與高溫燃氣隔絕開來，以降低部件的工作溫度，并保證部件免受燃氣的高溫腐蝕與沖蝕。

目前，TBCs應(yīng)用最多的是氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（ZrO2）材料。該材料的涂層具有在氧化性介質(zhì)中十分穩(wěn)定，熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率低，抗熔融金屬介質(zhì)侵蝕能力強等特點，與金屬或碳接觸的使用溫度為1700～2090℃。

TBCs一般不使用純ZrO2粉末。因為純ZrO2粉末在高溫下的晶型轉(zhuǎn)變會使其發(fā)生較大的體積變化而產(chǎn)生剝蝕現(xiàn)象。在加熱過程中，伴隨著約7%的體積收縮；而在冷卻過程中，則產(chǎn)生超過7%的體積收縮。在每次加熱和冷卻過程中，ZrO2隨著晶型轉(zhuǎn)變而發(fā)生的體積收縮是不可逆的。每一循環(huán)殘存的不可逆的體積變化經(jīng)積累，形成很大的熱應(yīng)力，使其發(fā)生開裂和剝落而失效。因此，ZrO2不能用于1000℃以上的抗熱震涂層，如圖1所示[1]。

圖1 ZrO2在加熱和冷卻過程中的晶型轉(zhuǎn)變與體積變化

研究發(fā)現(xiàn)，6%～8%Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2，在溫度為1300℃時仍保持立方晶體，十分穩(wěn)定，并能在更高的使用溫度（≥1350℃）下使用。ZrO2晶形轉(zhuǎn)變的體積應(yīng)力最小，因而耐熱震性能更好，因此Y2O3－ZrO2已成為現(xiàn)代航空發(fā)動機應(yīng)用的先進TBCs材料。

3 熱障涂層制備方法及各種方法的優(yōu)缺點

發(fā)動機涂層制備技術(shù)主要包括等離子噴涂、電子束物理氣相沉積和離子注入。

等離子噴涂包括大氣等離子噴涂、層流等離子噴涂、真空等離子噴涂、軸向送粉等離子噴涂，溶液等離子噴涂是最新發(fā)展的涂層制備技術(shù)。

3.1 大氣等離子噴涂

等離子噴涂技術(shù)主要用于導(dǎo)向葉片。

3.1.1 大氣等離子涂層形成[2]

大氣等離子平臺涂層的形成過程如圖2所示。

圖2 涂層原理及結(jié)構(gòu)

（1）粉材進入熱源高溫區(qū)，被加熱、熔化，形成熔滴。

（2）熔融粒子被等離子射流推動，向前飛行。

（3）熔融粒子以較大的動能沖擊基材表面，與基材碰撞，熔滴飛濺變形。

（4）熔滴冷凝收縮，交錯黏結(jié)。

3.2 等離子噴涂特點

（1）優(yōu)點。射流溫度高，能噴涂一切有固定熔點的材料；射流速度大，涂層結(jié)構(gòu)力比較高；被噴涂的工件不受限制（復(fù)雜零件除外），溫度低于200℃，基體一般不變形，也不發(fā)生組織變化。

（2）缺點。涂層與基體的黏結(jié)仍以機械結(jié)合為主，不宜承受振動、沖擊等重負荷；操作環(huán)境較惡劣，要求采取勞動保護和環(huán)境保護措施；影響涂層質(zhì)量的因素多，且難以對涂層質(zhì)量進行非破壞性檢查。

3.3 電子束物理氣相沉積

電子束物理氣相沉積技術(shù)(EB-PVD)屬于濺射鍍，主要用于工作葉片。

EB-PVD是指在真空狀態(tài)下，利用具有高能量密度的電子束轟擊沉積材料（金屬、陶瓷等），使之熔化、蒸發(fā)，并在基體上凝結(jié)沉積，形成涂層——具有有序結(jié)構(gòu)、彼此分離的柱狀晶體。該技術(shù)具有很高的沉積速率和較好的工藝可重復(fù)性。

3.3.1 優(yōu)點

（1）結(jié)合強度高。涂層沉積在真空狀態(tài)下進行，有利于防止基體與涂層材料被污染和氧化，沉積的柱狀晶體與基體底層結(jié)合牢固，質(zhì)量較高。

（2）具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)。晶體的生長方向和晶界方向均垂直于基體表面，與等離子噴涂層的片層狀結(jié)構(gòu)完全不同。其抗剝落壽命比等離子噴涂的提高7倍，如圖3所示[3]。

（3）涂層致密、硬度高。涂層硬度提高，耐磨性比等離子噴涂的高2倍。

圖3 熱障陶瓷涂層柱狀晶結(jié)構(gòu)

（4）涂層表面光潔。經(jīng)EBPVD沉積的TBCs，表面粗糙度低，Ra≈2.1μm，不需要進行光飾處理。

3.3.2 缺點

（1）熱導(dǎo)率高。涂層十分致密，熱傳導(dǎo)性能提高，絕熱屏蔽效果降低。

（2）成本高，沉積速度慢，特別是難于沉積mm級的厚涂層。而對TBCs的要求是增大厚度，以提高絕熱和熱屏蔽能力。

（3）與等離子噴涂相比，噴涂速率較低。

3.4 溶液等離子噴涂

溶液等離子噴涂（SPS法）降采用鋯酸鹽溶液作為原料，將霧化的微細液滴饋送入等離子焰流中，經(jīng)蒸發(fā)、破碎、膠凝、沉淀、熱解、燒結(jié)等，在基體上沉積出具有納米結(jié)構(gòu)的TBCs。其工藝流程如圖4所示。

圖4 以SPS法制備納米涂層的工藝流程

其制備的TBCs特點如下：

（1）能獲得nm級晶體。涂層的晶體尺寸為10～30 nm。隨著陶瓷粒子細化至nm級，其性能大幅提高。因此，涂層十分致密，表面粗糙度很低，涂層與基體的結(jié)合強度及涂層自身的力學(xué)性能大大提高。

（2）具有均勻的nm級和μm級孔隙。這使看似非常致密的納米涂層成為十分微細的“蜂窩”多孔結(jié)構(gòu)，因而具有很好的絕熱性能。

（3）熱穩(wěn)定性好。nm級晶粒的氧化物陶瓷，在高溫為578℃（1073 K）時顯示出優(yōu)異的抗晶粒長大的能力和熱穩(wěn)定性，產(chǎn)生抗晶界溶解的阻力，能在升高溫度時有效地抑制晶粒長大，具有奇特的“釘扎效應(yīng)”。

（4）產(chǎn)生縱向裂紋。納米陶瓷涂層產(chǎn)生微細的縱向裂紋，不存在等離子噴涂態(tài)涂層的片層顆粒和片層晶界，與EB-PVD沉積的柱狀晶結(jié)構(gòu)的性能相似，具有很高的抗高速燃氣沖刷能力和由此能力產(chǎn)生的抗剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的能力，提高了TBCs沿平行于界面的方向產(chǎn)生剝落的能力。

SPS法制備納米熱障陶瓷涂層技術(shù)是1項新興技術(shù)，尚不完善和成熟，一些理論問題還有待探討，是否能滿足第5代發(fā)動機的研制要求有待進一步研究。

4 應(yīng)用與展望

4.1 應(yīng)用

4.1.1 性能要求

發(fā)動機研制對TBCs性能的要求如下。

（1）耐高溫。發(fā)動機熱效率與渦輪機燃氣進口溫度（即燃氣初溫）密切相關(guān)。現(xiàn)代航空發(fā)動機渦輪燃氣進口溫度已達1700℃，這就對TBCs耐高溫性能提出了更高的要求。

（2）絕熱性好。發(fā)動機熱端部件用高溫合金（如高溫鎳基合金）的工作溫度已達1100℃左右。提高發(fā)動機燃氣初溫主要通過空氣冷卻和絕熱涂層2種途徑，而空氣冷卻又會降低發(fā)動機的熱效率。顯然，采用具有低熱導(dǎo)率的陶瓷涂層對高溫合金基體進行絕熱保護是十分重要的措施。

（3）耐熱震性好。TBCs必須能夠承受從高溫到低溫的溫度周期性變化，以及熱疲勞性和熱沖擊性。溫度范圍變化越大，冷卻速度越高，則涂層應(yīng)力越大、開裂甚至剝落的可能性越大。

（4）化學(xué)穩(wěn)定性強。TBCs在高溫下，耐氧化，耐高速燃氣的腐蝕和沖蝕，并且不會與基體材料發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。

（5）涂層密度低。TBCs為低密度熱障材料，含有大量微細孔隙，不僅質(zhì)輕，絕熱性好，而且對裂紋和熱沖擊的敏感性也較小。

（6）結(jié)合強度高，使用壽命長。TBCs與基體金屬之間必須有高的結(jié)合強度，以保證在有效的使用期內(nèi)涂層不會剝落和失效。TBCs的使用壽命包含2層意思：第1，在工作溫度下持續(xù)暴露的時間，這對于發(fā)動機續(xù)航和遠航能力十分重要；第2，涂層失效的大修時間，即總的使用壽命，這對于減少維修、提高經(jīng)濟效益頗為重要。

4.1.2 材料要求

（1）黏結(jié)底層材料。常用的黏結(jié)底層材料是MCrAlY(M=Ni,Co,Fe)，也可在此合金材料基礎(chǔ)上涂加Hf、Th等合金元素。

（2）氧化物類陶瓷面層材料。即高純Al2O3和經(jīng)穩(wěn)定化處理的ZrO2基陶瓷材料。目前，在航空發(fā)動機上使用最普遍的是氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末材料。

4.1.3 應(yīng)用效果

（1）提高了發(fā)動機功率和熱效率。例如：渦輪葉片背涂覆1厚27μm的TBCs，可使高溫葉片的表面溫度由1055℃降低到866℃，減少因采用強制空氣冷卻而消耗的葉片熱量。噴涂TBCs的渦輪葉片，可以降低40%的冷卻氣消耗，從而提高發(fā)動機熱效率；這亦相當于降低了高溫合金的受熱溫度，從而可進一步提高渦輪的燃氣初溫，進一步提高發(fā)動機功率。

（2）降低了燃油消耗。降低了熱耗，使燃油消耗降低約1.3%。如美國250架噴氣式飛機的全部高壓渦輪葉片噴涂TBCs后，1年即可節(jié)約航空燃油3.78萬m3，即每架飛機節(jié)約 151 m3/(年.架)。

（3）延長了使用壽命和大修期。發(fā)動機熱端部件噴涂TBCs后，使用壽命提高3～4倍，從而大大延長了發(fā)動機大修期，減少了停機和維修所帶來的損失。

4.2 展望

（1）新型 TBCs，如雙陶瓷涂層的TBCs結(jié)構(gòu)。日本國家研究所的Kazuo UENO等人在對ZrO2基TBCs研究時發(fā)現(xiàn)，稀土氧化物CeO2是ZrO2陶瓷的改性穩(wěn)定劑，能顯著降低ZrO2陶瓷的熱導(dǎo)率，提高TBCs的絕熱屏蔽效果，還能提高ZrO2陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)，使CeO2～ZrO2熱障陶瓷涂層與高溫合金基體黏結(jié)涂層之間的熱膨脹系數(shù)的差別減小。當CeO2的含量為20%～30%時，其熱導(dǎo)率降低4～5倍；當CeO2的含量達30%時，其熱膨脹系數(shù)約為12×10-6/K，非常接近高溫合金的熱膨脹系數(shù)，從而顯著降低TBCs的熱應(yīng)力，提高其耐熱震性能和使用壽命。

在此基礎(chǔ)上，通過涂層應(yīng)力計算，設(shè)計出具有雙陶瓷層的新型熱障陶瓷涂層系統(tǒng)，即在基體上首先噴涂MCrAlY黏結(jié)底層，然后噴涂氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ）熱障陶瓷涂層，最后噴涂添加CeO2的YSZ（CeYSZ-CeO2/Y2O3/ZrO2）三元復(fù)合氧化鋯涂層。YSZ涂層硬度較低，韌性好，主要起承受熱震引起的強熱沖擊的作用；而CeYSZ涂層的熱導(dǎo)率極低，是性能優(yōu)異的絕熱屏蔽涂層。當TBCs厚度比為 50：50時（2C2Y試樣），其熱循環(huán)試驗壽命超過3000次，比只有YSZ單層TBCs的試樣（OC4Y）的熱循環(huán)壽命提高上百倍。

（2）納米 ZrO2基 TBCs。采用液體等離子噴涂技術(shù)制備納米ZrO2基TBCs是未來的發(fā)展方向，用SPS法沉積的ZrO2基納米熱障陶瓷涂層，綜合了EB-PVD法和APS法的優(yōu)點，克服了各自的缺點，有可能成為第4代和第5代航空發(fā)動機用的TBCs。

5 結(jié)束語

TBCs是航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的必然要求，目前的研究已經(jīng)取得了很大進展，在燃燒室火焰筒、燃油總管、加力筒體隔熱屏及渦輪葉片上均得到成功的應(yīng)用。

作為發(fā)動機熱端部件重要的高溫防護技術(shù)，國內(nèi)部分型號發(fā)動機的工作葉片、導(dǎo)向葉片、加力筒體隔熱屏和燃油總管等已涂覆了TBCs，但還不能滿足發(fā)動機發(fā)展的需求。對此，應(yīng)借鑒國外的經(jīng)驗，加快TBCs材料制造技術(shù)和涂層制備技術(shù)的研究和驗證工作。

[1]鄧世均.高性能陶瓷涂層[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]關(guān)橋，劉方軍.高能束流加工技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用[M].北京：北京航空制造工程研究所,2005.

[3]劉方軍.電子束物理氣相沉積技術(shù)[M].北京：北京航空制造工程研究所,2006.

[4]趙振業(yè)，周莉珊，陳亞莉，等.航空材料發(fā)展研究報告 [R].北京航空制造工程研究所，2007.