熱障涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用

王博 殷紹海

摘 要：經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的快速發(fā)展有效地推動(dòng)了我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展，新時(shí)期高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要方向，在提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的眾多措施中最直接方式是提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度，以使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中能夠更好地加熱、壓縮空氣，從而使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠產(chǎn)生更高推重比。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度主要受航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片承溫能力影響。熱障涂層應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上將有助于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片承溫能力。本文將就航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層的特點(diǎn)及技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析闡述。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪葉片；熱障涂層

中圖分類號(hào)：V261 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

當(dāng)前，我國(guó)的航空產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，對(duì)于各種大型、新型飛機(jī)的需求不斷增加。高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的推重比、良好的燃油利用性成為現(xiàn)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向，為提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的承溫能力以使得溫度更高的壓縮空氣能夠進(jìn)入到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中是航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比提高的重要方式之一。通過(guò)熱障涂層應(yīng)用將能夠使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片具有更高的承溫能力。

1 熱障涂層簡(jiǎn)述

熱障涂層指的是通過(guò)使用陶瓷等材料在物體表面通過(guò)噴涂等的工藝方式使其沉積在高溫合金或是耐高溫金屬表面，通過(guò)陶瓷等耐高溫材料所形成的熱障涂層來(lái)隔離外部熱量，降低基底的溫度，據(jù)研究表明，通過(guò)應(yīng)用熱障涂層將能夠有效提高被涂覆物體約60%的熱效率。

熱障涂層技術(shù)實(shí)施關(guān)鍵是要通過(guò)噴涂等技術(shù)將陶瓷等耐熱材料以涂層形式與基體進(jìn)行復(fù)合，從而使得基體具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。熱障涂層技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用關(guān)鍵是要做好耐高溫材料等的研究和耐高溫材料噴涂和涂層的沉積用以在高溫合金基體表面形成隔熱障層。熱障涂層是一種表面涂覆技術(shù)，其在零部件表面所噴涂材料屬于具有低導(dǎo)熱系數(shù)的材料，在工作的過(guò)程中利用材料低熱傳導(dǎo)特性在材料內(nèi)外表面形成降溫，用以完成對(duì)于噴涂零部件的熱屏障保護(hù)。

一般來(lái)說(shuō)熱障涂層所使用材料主要為陶瓷類材料，由陶瓷面層和金屬黏結(jié)層溝通構(gòu)成零部件表面陶瓷熱障涂層。熱障涂層技術(shù)發(fā)展至今經(jīng)過(guò)了多次演變，且制備設(shè)備也在不斷地更新用以滿足越來(lái)越高的性能指標(biāo)要求?？傮w來(lái)說(shuō)現(xiàn)今應(yīng)用較多也較為廣泛的熱障涂層制備法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積法。等離子噴涂法具有噴涂速度快、生產(chǎn)效率高以及可以對(duì)多種類型和規(guī)格的零部件進(jìn)行噴涂加工。但是等離子噴涂法也存在著一定的不足，其對(duì)于復(fù)雜零部件表面的熱障涂層噴涂無(wú)法取得良好的噴涂效果，且在噴涂作業(yè)中對(duì)于熱障涂層噴涂的厚度和均勻度也無(wú)法進(jìn)行較為良好的控制，從而導(dǎo)致等離子噴涂法在完成零部件表面的噴涂作業(yè)后容易出現(xiàn)厚度不均、表面粗糙等的缺陷。電子束物理氣相沉積法所獲得的熱障涂層其涂層與基體之間以及熱障涂層內(nèi)部都具有較高的強(qiáng)度，且使用電子束物理氣相沉積法完成噴涂的零部件表面光潔度較高且厚度較為均勻，能夠?qū)π螤顝?fù)雜的零部件進(jìn)行熱障涂層噴涂作業(yè)。但是電子束物理氣相沉積法也存在著一些不足，由于熱障噴涂作業(yè)所使用的涂料中其各組成元素的蒸發(fā)壓力相差較大，從而致使在使用電子束物理氣相沉積法進(jìn)行零部件表面的熱障涂層噴涂作業(yè)時(shí)噴涂作業(yè)效率和對(duì)噴涂材料的使用率等都有所不足，加之電子束物理氣相沉積法的成本較高，且對(duì)于復(fù)雜零部件進(jìn)行熱障噴涂作業(yè)時(shí)容易出現(xiàn)“陰影”效應(yīng)。

2 應(yīng)用于渦輪葉片上的熱障涂層及熱障涂層制備技術(shù)

現(xiàn)今在實(shí)際的熱障土層噴涂作業(yè)中投入應(yīng)用的噴涂作業(yè)方法有：等離子噴涂法、激光等離子復(fù)合噴涂法、激光熔覆法以及電子束物理氣相沉積法。其中等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積法是兩種應(yīng)用較多也是應(yīng)用較為廣泛的熱障涂層噴涂技術(shù)。

在應(yīng)用電子束物理氣相沉積法時(shí)，通過(guò)將待噴涂的零部件放置于真空容器中，利用高能電子束在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)高能量集中所產(chǎn)生的熱量熱化陶瓷靶材，從而使得融化后的陶瓷靶材所形成的陶瓷蒸汽以原子形態(tài)沉積到待噴涂的零部件表面形成熱障涂層。

應(yīng)用電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層具有以下幾方面的特點(diǎn)：電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層組織形成的是垂直于基體表面的柱狀晶，柱狀晶在生長(zhǎng)過(guò)程中沿著壁面方向進(jìn)行生長(zhǎng)。在高溫下柱狀晶與柱狀晶之間的連接狀態(tài)可以分開(kāi)以使得電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層能夠在基體上完全進(jìn)行膨脹或是收縮而不會(huì)產(chǎn)生裂紋，從而使得電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層具有良好的抗疲勞特性。

由電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層具有較高的抗氧化性和表面光滑性，這一特性使得電子束物理氣相沉積法所形成的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面熱障涂層能夠減小燃?xì)庾枇?，尤其是像航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面這種燃?xì)饬魉贅O高的零部件，其所形成的抗氧化性和表面光滑性能夠有效地增強(qiáng)熱障涂層的使用壽命。使用電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層相較于其他幾種熱障涂層噴涂法其抗剝落特性要較為優(yōu)異，且電子束物理氣相沉積法所形成的熱障涂層表面光滑、粗糙度僅為0.7μm左右，遠(yuǎn)低于等離子噴涂法所形成的2μm涂層厚度。

等離子噴涂技術(shù)是最早應(yīng)用于制造熱障涂層的涂層制備技術(shù)。在等離子噴涂技術(shù)工作中，由等離子噴槍所產(chǎn)生的等離子體與涂覆料管所輸送的物料粉末在等離子焰流中被加熱至熔融狀態(tài)，并由高速等離子流噴涂在零部件的表面。高速噴涂流在與零部件表面接觸時(shí)熔融狀態(tài)的球型粉末將會(huì)產(chǎn)生塑性變形，附著在零部件表面的各顆粒也依靠塑性變形而相互黏結(jié)在一起。噴涂時(shí)間與零部件表面的熱障涂層厚度呈正比。等離子噴涂技術(shù)噴涂作業(yè)中主要有常規(guī)、高能和低壓等3種等離子噴涂形式：

（1）常規(guī)等離子噴涂形式在噴涂作業(yè)中利用氮和氬等離子來(lái)作為等離子加熱氣體用以對(duì)噴涂粉末進(jìn)行噴涂作業(yè)。通過(guò)將陶瓷或是金屬粉末加熱至熔融狀態(tài)并噴射向零部件用以形成金屬堆積完成對(duì)于零部件表面的土層噴涂。

（2）高能等離子噴涂形式噴涂功率較大，所形成的噴涂等離子流速度更快與零部件表面的等離子碰撞更快、更強(qiáng)能夠形成強(qiáng)度更高、密度更強(qiáng)的等離子涂層。

（3）低壓等離子噴涂形式。低壓等離子噴涂形式所形成的等離子束徑粗且長(zhǎng)，速度高且含氧量低，因此完成噴涂的涂層含氧量較低能夠形成質(zhì)量較好的熱障涂層。

3 熱障涂層噴涂作業(yè)中需要注意的問(wèn)題

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片進(jìn)行熱障涂層噴涂作業(yè)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片多為雙聯(lián)或是多聯(lián)結(jié)構(gòu)且葉片表面分布有大量的氣膜孔，熱障噴涂作業(yè)時(shí)需要注意避免堵塞氣膜孔。噴涂作業(yè)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)氣膜孔與渦輪葉片表面法線的方向來(lái)調(diào)整噴涂方向用以盡量確保噴涂方向與氣膜孔的方向相垂直，并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整噴槍的停留時(shí)間來(lái)控制噴涂厚度。

（2）熱障噴涂作業(yè)會(huì)對(duì)渦輪導(dǎo)向器的面積造成一定的影響，在噴涂作業(yè)中需要結(jié)合葉片不同組別的特點(diǎn)，調(diào)整導(dǎo)向器的面積提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。由于渦輪葉片結(jié)構(gòu)、形狀復(fù)雜其對(duì)噴涂作業(yè)會(huì)產(chǎn)生一定的遮擋，在噴涂作業(yè)中需要結(jié)合工件特點(diǎn)來(lái)對(duì)噴涂角度和距離以及轉(zhuǎn)盤(pán)速度進(jìn)行適時(shí)的調(diào)整，最大限度地確保噴涂的效果。

結(jié)語(yǔ)

熱障涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用能夠有效地提高葉片的承溫性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。等離子噴涂技術(shù)能夠在熱障噴涂中發(fā)揮出良好的效果能滿足渦輪葉片熱障涂層噴涂工藝技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]文生瓊，何愛(ài)杰，王皓.熱障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2009，22（1）：59-62.

[2]李釗，蔡文波.熱障涂層技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的應(yīng)用[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2015，41（5）：67-71.