熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用研究

張志強(qiáng)，宋文興，陸海鷹

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

1 引言

高推重比是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)高推重比最直接手段就是提高渦輪進(jìn)口溫度，限制渦輪進(jìn)口溫度水平的主要因素是渦輪葉片的承溫能力。在渦輪葉片燃?xì)饬鞯辣砻鎳娡繜嵴贤繉樱瑢?duì)提高葉片承溫能力有非常直接的效果，并對(duì)短時(shí)間的超溫有很好的緩解作用。國(guó)外熱障涂層在軍、民航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已獲廣泛應(yīng)用，據(jù)資料介紹，可取得50～150℃的隔熱效果。渦輪葉片工作溫度一般都接近其材料的許用溫度，此時(shí)如果渦輪葉片每降低15℃，其持久壽命約延長(zhǎng)1倍。在結(jié)構(gòu)和冷卻效果不變的條件下，采用熱障涂層技術(shù)可以使葉片壽命延長(zhǎng)約3～5倍；在保持零件壽命不變的條件下，減少冷卻空氣用量約20%～30%。從而大幅度提高性能、降低耗油率。因此，從可靠性增長(zhǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)延壽以及其發(fā)展型的研制需求來(lái)看，熱障涂層是當(dāng)代先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不可或缺的選擇。

2 陶瓷熱障涂層的選材與制備方法

2.1 陶瓷熱障涂層材料

熱障涂層（簡(jiǎn)稱TBC）技術(shù)是1種表面處理技術(shù)，是在零件表面沉積黏接1層低導(dǎo)熱系數(shù)的材料，利用其低熱傳導(dǎo)特性，在其內(nèi)、外表面形成溫降，用以降低零件表面工作溫度（或提高零件的承溫能力）的方法。選用陶瓷做低導(dǎo)熱系數(shù)材料的涂層稱作陶瓷熱障涂層，完整陶瓷熱障涂層一般由陶瓷面層（工作層）和金屬黏接層（底層）組成。熱障涂層的工作原理如圖1所示。高溫高速燃?xì)饬?圖中標(biāo)注“氣體溫度”)在流道（葉片外表面）形成熱源，熱流在表面層（燃流附面層）、陶瓷面層、黏接涂層、基體、內(nèi)界面層（冷氣附面層）上形成溫降和溫差，直至達(dá)到冷卻氣體溫度。獲取陶瓷涂層上的溫降是目標(biāo)所在。

2.1.1 陶瓷面層（工作層）

導(dǎo)熱系數(shù)是熱障涂層材料的1個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。導(dǎo)熱系數(shù)越小，隔熱效果就越好。以氧化鋯（ZrO2）為主晶相的陶瓷材料具有熱導(dǎo)系數(shù)小 (金屬的1/10）、熔點(diǎn)高（2677℃）、惰性（不易與金屬發(fā)生反應(yīng)），尤其是具有相對(duì)較高的熱膨脹系數(shù)，使其成為理想的熱障涂層材料。

ZrO2熱障涂層存在1個(gè)問(wèn)題，即純ZrO2在不同溫度下將發(fā)生伴有體積變化的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)裂紋的形成和材料的損壞。因此，一般均需使用氧化釔（Y2O3）等作穩(wěn)定劑制成部分穩(wěn)定的多晶相ZrO2（常用YSZ表示）。該涂層具有很高的強(qiáng)度和韌性，可以增強(qiáng)涂層的黏接強(qiáng)度，提高涂層的抗熱疲勞性能。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2在1100℃時(shí)具有最好的抗熱震性能，這個(gè)溫度正是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面的熱點(diǎn)工作溫度，故一般選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%～8%Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2做渦輪葉片熱障涂層的面層（工作層）。

2.1.2 金屬黏接層（底層）

雖然ZrO2是高溫陶瓷中熱膨脹系數(shù)最高的，但也只有高溫合金基體的70%左右，如果直接涂覆在金屬表面，由于熱膨脹系數(shù)的差異將導(dǎo)致涂層脫落，達(dá)不到工程應(yīng)用的目的。為此，必須在陶瓷面層和金屬基體之間增加金屬黏接層（底層），在金屬和陶瓷之間起黏接和緩沖熱應(yīng)力的作用。一般選用McrAlY作為金屬黏接層，該材料即能滿足黏接陶瓷層的要求，同時(shí)又能提供渦輪葉片所必須的抗高溫氧化腐蝕能力，無(wú)論作為陶瓷層的黏接層,還是抗氧化腐蝕涂層，都有著大量的基礎(chǔ)研究和相當(dāng)成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，已被廣泛采用。

綜上所述，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片采用的熱障涂層一般由2部分組成：YSZ作為熱障涂層的面層，選用MCrAlY作為金屬黏接層（底層）。

2.2 陶瓷熱障涂層制備方法

2.2.1 金屬黏接層

作為金屬黏接層的MCrAlY涂層，在工廠現(xiàn)有生產(chǎn)條件下，為盡可能提高涂層的黏接強(qiáng)度，選用超聲速火焰噴涂、真空電弧鍍等噴涂方法。超聲速火焰噴涂因噴槍火焰出口速度高，經(jīng)試驗(yàn)證明可以獲得較好的噴涂質(zhì)量；而真空電弧鍍渦輪葉片抗氧化涂層所用的工藝有十分成熟的工程經(jīng)驗(yàn)。

2.2.2 陶瓷面層

制造熱障涂層面層的主要方法有電子束物理氣相沉積法、激光熔敷法、自蔓燃高溫燃燒合成法、等離子噴涂法等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外研制和使用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，渦輪葉片的熱障涂層工藝絕大部分使用電子束物理氣相沉積法和等離子噴涂法。也是目前本文選用的主要方法，下面著重介紹這2種工藝方法。

2.2.2.1 電子束物理氣相沉積(EB-PVD)熱障涂層

電子束物理氣相沉積系統(tǒng) (EB-PVD)如圖2所示。主要工藝過(guò)程是：將零件置于設(shè)備的真空腔內(nèi)，用高能電子束將高能量集中在1個(gè)很小的區(qū)域。在水冷卻坩堝里的陶瓷靶材上，用高能電子束掃描方法加熱氣化陶瓷靶材，陶瓷蒸氣以原子為單位沉積到圖2中央的零件上而形成涂層。

電子束物理氣相沉積涂層的特點(diǎn)是：其陶瓷涂層組織由垂直于基體表面的柱狀晶組成，如圖3所示。絕緣陶瓷柱狀晶沿壁面法線方向生長(zhǎng)，在高溫下，柱與柱可以分開(kāi)，在熱循環(huán)過(guò)程中允許陶瓷在基體上完全膨脹或收縮而沒(méi)有裂紋產(chǎn)生，緩解了由于熱膨脹系數(shù)的差異而造成的熱應(yīng)力，從而大幅度提高了涂層抗熱疲勞性能。同時(shí)Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2與結(jié)合層之間有α-Al2O3區(qū)形成（圖中熱增長(zhǎng)的氧化物），有利于提高抗氧化性。且涂層表面光滑，尤其對(duì)燃?xì)饬魉俸芨叩母邏簻u輪流道表面，可減小燃?xì)庾枇?，提高涂層壽命?/p>

2.2.2.2 等離子噴涂(APS)熱障陶瓷涂層

等離子噴涂主要工藝過(guò)程如圖4所示。氣體進(jìn)入電極腔內(nèi)，被電弧加熱離解成電子和離子的平衡混合物，形成等離子體，其溫度高達(dá)5538～11093℃，且處于高度壓縮狀態(tài)，所具有的能量極大，等離子體通過(guò)噴嘴時(shí)急劇膨脹形成亞聲速或超聲速等離子流；在噴嘴出口前，陶瓷粉末被送入等離子火焰中迅速加熱熔化，隨后霧化成細(xì)小的熔滴，隨等離子流噴射到零件表面上，快速冷卻固結(jié)形成沉積層。等離子噴涂的優(yōu)點(diǎn)：高潔凈氣氛，高熱焓，等離子體溫度極高，化學(xué)反應(yīng)速度可以提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，快速合成許多常規(guī)方法難以合成的材料；高溫度梯度，對(duì)金屬的冷卻速度高達(dá)106 K/s，可獲得晶粒非常細(xì)小的微晶材料；集熔化－霧化－快淬－固結(jié)等工藝于一體，成型性優(yōu)良、結(jié)合牢固；陶瓷涂層組織特點(diǎn)是有大量的氣孔與微裂紋（如圖5所示），可以緩解熱應(yīng)力，提高涂層的熱疲勞壽命。這些優(yōu)點(diǎn)使等離子噴涂在涂層技術(shù)中占主導(dǎo)地位。

涂層材料均是Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，渦輪導(dǎo)向葉片常采用等離子噴涂或超聲速噴涂工藝，渦輪轉(zhuǎn)子葉片采用電子束物理氣相沉積工藝（EB-PVD）。

3 渦輪葉片噴涂熱障涂層技術(shù)難點(diǎn)

高壓渦輪導(dǎo)向葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作溫度最高的零件，其主要失效模式基本與溫度有關(guān)，增加熱障涂層提高承溫能力的需求最為迫切。根據(jù)使用需要，渦輪導(dǎo)向葉片一般都設(shè)計(jì)成雙聯(lián)或多聯(lián)為1組（如圖6所示），同時(shí)葉片表面分布有大量的氣膜孔，給熱障涂層的噴涂工作帶來(lái)了很大的困難。

3.1 對(duì)葉片氣膜孔堵孔的影響

冷卻降溫是構(gòu)成葉片承溫能力的最重要部分，氣膜冷卻又是實(shí)現(xiàn)冷卻降溫的最主要形式，一般渦輪氣冷葉片在葉型表面都分布有采用激光或電火花加工的數(shù)十到數(shù)百個(gè)氣膜孔，氣膜孔一般外徑大于內(nèi)徑(呈錐形),平均直徑多為0.3～0.6 mm；為在葉片表面形成較好的氣膜覆蓋，一般氣膜孔與葉片壁面都設(shè)計(jì)有較小的夾角；噴涂熱障涂層必須盡量避免或減少對(duì)葉片氣膜孔的影響(如圖7所示)。

3.1.1 EB-PVD電子束物理氣相沉積的影響

EB-PVD電子束物理氣相沉積產(chǎn)生涂層在冷卻孔的開(kāi)口處迅速變?。ū砻娉练e物），沉積的熱障涂層只能影響到孔口區(qū)域，因此，當(dāng)熱障涂層總厚度在0.15 mm左右（目前EB-PVD方法的最優(yōu)涂層厚度）時(shí)，測(cè)量顯示氣膜孔徑的影響一般為0.02～0.05 mm。由于EB-PVD方法的自動(dòng)化程度高，氣膜孔的堵孔規(guī)律一致性好，可以采用預(yù)先放大孔徑的辦法，保證噴涂熱障涂層后的氣膜孔徑符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 等離子噴涂的影響

等離子噴涂涂層在孔開(kāi)口處極易形成涂層，被溶化的等離子噴涂粉末相互黏結(jié)，可以封閉一些小的冷卻孔。為此，嘗試了幾種方法，包括涂后鉆孔，在噴涂過(guò)程中用金屬絲填孔、擴(kuò)孔，但均不理想，未能廣泛應(yīng)用。對(duì)于氣膜孔徑只有0.3～0.4 mm的葉片，等離子噴涂被確定為不適用工藝；孔徑為0.5～0.6 mm的葉片采用等離子工藝噴涂熱障涂層，也會(huì)造成嚴(yán)重堵孔，有約2%氣膜孔被完全堵死，超過(guò)半數(shù)的氣膜孔孔徑減小了1/5。

為了解噴涂對(duì)氣膜孔的影響規(guī)律，解剖試驗(yàn)件葉片，記錄不同區(qū)域熱障涂層的成型特點(diǎn)。根據(jù)氣膜孔與葉片表面法線所成角度較大的特點(diǎn)，增加了在噴涂方向上的控制，盡量保證噴涂方向與氣膜孔軸向垂直；根據(jù)不同區(qū)域特點(diǎn)，限制噴槍的停留時(shí)間，控制面層的厚度；調(diào)整陶瓷團(tuán)聚粉的顆粒大小和均勻度。綜合采取上述措施后，堵孔問(wèn)題有了明顯緩解。

為驗(yàn)證解決堵孔措施的有效性，分別在噴涂前、噴涂黏接層后、噴涂表面陶瓷層后測(cè)量氣膜孔直徑，測(cè)量和記錄了約700個(gè)孔徑值。統(tǒng)計(jì)分析表明：采用超聲速噴涂NiCrAlY黏接層，使葉片孔徑減小約0.02 mm；采用等離子噴涂面層，使孔徑減小約0.04 mm?？紤]到手工噴涂的不一致性，高壓渦輪導(dǎo)向葉片等離子噴涂熱障涂層使氣膜孔孔徑的總減小量不大于0.1 mm。

如果采用機(jī)械手＋等離子噴涂熱障涂層，氣膜孔的堵孔規(guī)律將會(huì)有很好的一致性，可以根據(jù)熱障涂層對(duì)葉片氣膜孔的影響值，通過(guò)在加工中預(yù)先增加孔徑的方法，消除熱障涂層對(duì)氣膜孔尺寸的影響。

3.2 熱障涂層對(duì)導(dǎo)向器面積的影響

渦輪導(dǎo)向器面積是控制高、低壓轉(zhuǎn)差，并影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的關(guān)鍵參數(shù)。高壓渦輪導(dǎo)向葉片有大、中、小3種，3種葉片組成3組導(dǎo)向器面積，各組別相差3.5%，每組導(dǎo)向器面積的公差范圍是±0.5%，如果按熱障涂層厚度0.35 mm計(jì)算，涂層將使導(dǎo)向器面積減少約7%，超過(guò)了葉片2個(gè)組別的面積差值，因此，必須予以解決。

3.2.1 熱障涂層對(duì)單個(gè)葉片面積影響

高壓渦輪導(dǎo)向葉片雙聯(lián)1組，相鄰葉片構(gòu)成的喉道為拉沃爾噴管形，對(duì)于1組葉片中間窗口，正常噴涂熱障涂層也會(huì)有一定的遮擋，這個(gè)區(qū)域的涂層厚度將比其它區(qū)域薄。為進(jìn)一步減小涂層對(duì)葉片喉道面積的影響，采取了分區(qū)方法，在影響面積的部位減小熱障涂層厚度，具體分區(qū)情況見(jiàn)表1和如圖8所示。

表1 熱障涂層分區(qū) mm

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，采取上述方法后，熱障涂層對(duì)葉片面積的影響小于2%。

3.2.2 熱障涂層影響面積在導(dǎo)向器上的解決辦法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片具有不同組別的面積，其目的就是為了根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的需要，調(diào)整高壓導(dǎo)向器面積。

例如∶某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片未噴熱障涂層前，導(dǎo)向器面積比理論值小了1.0%（超差0.5%）；發(fā)動(dòng)機(jī)交付使用后，高壓渦輪導(dǎo)向葉片噴涂了熱障涂層，測(cè)量顯示噴涂熱障涂層使面積減小了1.63%。為使導(dǎo)向器面積恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，替換了8組噴完熱障涂層的大組別高壓渦輪導(dǎo)向葉片，將其面積由200.16 cm2調(diào)整到204.56 cm2，滿足了高壓渦輪導(dǎo)向器面積205.55 cm2±0.5%的設(shè)計(jì)要求。

3.3 熱障涂層黏接層低循環(huán)疲勞壽命的影響

渦輪葉片表面經(jīng)常滲鋁或噴涂MCrAlY，作為葉片的高溫抗氧化腐蝕涂層和熱障涂層的黏接層。但鋁系涂（滲）層在一定溫度下是1種脆性層，會(huì)降低合金的低循環(huán)疲勞壽命。為此,與相關(guān)院校、參研院所進(jìn)行了專項(xiàng)研究，通過(guò)有針對(duì)性（指葉片材料）的對(duì)比試驗(yàn)，確定導(dǎo)向葉片黏接層噴涂厚度不超過(guò)0.1 mm，高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片黏接層不超過(guò)0.06 mm。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)葉片的低循環(huán)疲勞壽命無(wú)明顯影響，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3.4 噴涂熱障涂層的遮擋問(wèn)題

高壓渦輪導(dǎo)向葉片是雙聯(lián)1組，無(wú)論采用等離子還是EB-PVD電子束物理氣相沉積方法噴涂，都有遮擋問(wèn)題。在實(shí)際噴涂中，目前只能通過(guò)調(diào)整噴涂角度和距離或調(diào)整工件轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，盡量減少遮擋對(duì)噴涂的影響。

另外，噴涂中遮擋嚴(yán)重區(qū)域也是影響喉道的部位，此處非熱點(diǎn)區(qū)域，適當(dāng)減薄此處的熱障涂層厚度，既可適應(yīng)工藝要求，也能減少對(duì)導(dǎo)向器排氣面積的影響。國(guó)外民用發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片只在部分區(qū)域噴涂熱障涂層，完全不會(huì)影響喉道面積。只在熱點(diǎn)區(qū)域噴涂是熱障涂層的1種應(yīng)用方法，值得研究。

4 熱障涂層葉片的試驗(yàn)與發(fā)動(dòng)機(jī)試車考核

4.1 帶納米氧化鋯熱障涂層渦輪葉片熱疲勞試驗(yàn)

在同樣試驗(yàn)條件下，采用相同的試驗(yàn)方法，對(duì)帶和不帶熱障涂層的葉片做對(duì)比試驗(yàn)，以考核帶熱障涂層葉片和熱障涂層的抗冷、熱疲勞能力。經(jīng)過(guò)3000次循環(huán)，葉片表面涂層基本完整，葉片未產(chǎn)生裂紋，只在葉片尖部葉背側(cè)有一小區(qū)域熱障涂層脫落，表明帶熱障涂層葉片具有良好的抗熱疲勞能力。

4.2 帶納米氧化鋯熱障涂層渦輪葉片隔熱效果試驗(yàn)

為驗(yàn)證熱障涂層的隔熱效果，在同樣試驗(yàn)條件下，分別對(duì)帶和不帶熱障涂層葉片的冷卻效果進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，熱障涂層的隔熱效果超過(guò)了50℃。目前試驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)還不夠多，且有一定的分散度，有待進(jìn)一步試驗(yàn)補(bǔ)充完善。

4.3 帶熱障涂層高壓渦輪導(dǎo)向葉片QT150 h持久試車

某臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)完成了QT150 h持久考核試車，累計(jì)試車205 h7 min。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)分解檢查表明，高壓渦輪導(dǎo)向葉片的熱障涂層基本完整、狀態(tài)良好；與未噴涂熱障涂層葉片相比，高壓渦輪導(dǎo)向葉片裂紋、燒蝕、變形等損傷狀況有了明顯改善,熱障涂層發(fā)揮了很好的熱防護(hù)效果。

本文所述熱障涂層技術(shù)已得到推廣應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

熱障涂層是當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)工程化研究，不斷解決或改進(jìn)熱障涂層噴涂過(guò)程中的具體問(wèn)題，消除或減小不利影響，規(guī)范工藝方法，以實(shí)現(xiàn)渦輪葉片的承溫能力有效提高，為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

[1]曹學(xué)強(qiáng).熱障涂層材料[M].北京：科學(xué)出版社，2007.