熱障陶瓷涂層與紅外輻射涂層在氣動熱防護(hù)中的作用

王艷

（遼寧省輕工產(chǎn)品質(zhì)量檢測院，沈陽市110032）

關(guān)健詞：熱障陶瓷涂層；紅外輻射陶瓷涂層，氣動熱防護(hù)；鈦合金

1 前言

飛行器以高超聲速在大氣中飛行時，由于激波壓縮、粘性摩擦等作用，造成壁面附近氣溫升高，高溫空氣不斷向低溫壁面?zhèn)鳠?，引起?qiáng)烈的氣動加熱[2-3]。例如在1000 m以上高空，巡航導(dǎo)彈以2.5馬赫速度飛行10 s后其外表蒙皮溫度可達(dá)700 K。飛行器表面溫度過高，對飛行器會產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)為蒙皮金屬材料在高溫環(huán)境下，金屬材料的力學(xué)性能下降，同時在飛行狀態(tài)下，由于氣動摩擦熱，還會使蒙皮內(nèi)部器件性能失效，因此，對高超聲速飛行器表面進(jìn)行熱防護(hù)是非常必要的。

高超聲速飛行器表面熱防護(hù)不同于普通熱防護(hù)，高超聲速飛行器由于飛行速度及飛行距離的極限設(shè)計要求，對飛行器的外觀形狀、大小和重量等都有極為苛刻的要求，總體原則要求飛行阻力小、重量盡可能輕，飛行器表面熱防護(hù)不影響原設(shè)計飛行動力性能，同時增重要小。

氧化鋯熱障涂層（TBC）廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)和燃汽輪機(jī)葉片上，可降低氣冷高溫部件溫度50～200℃[4]。本文采用由ZrO2熱障涂層（TBC）與高紅外輻射涂層組成的復(fù)合陶瓷涂層，復(fù)合陶瓷涂層厚度在0.3～0.5 mm，測試復(fù)合陶瓷涂層的隔熱及綜合降溫效果，為鈦合金蒙皮氣動熱防護(hù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 原材料

氧化鎂（22～24%）穩(wěn)定氧化鋯、高紅外輻射陶瓷涂料為遼寧省輕工科學(xué)院產(chǎn)；Y2O3-ZrO2納米涂層材料為中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）產(chǎn)；鎳鉻鋁釔底層（過渡層）材料為中科院金屬研究所產(chǎn)。

2.2 復(fù)合陶瓷涂層制備

涂層結(jié)構(gòu)：復(fù)合陶瓷涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)示意圖

金屬試片采用120 mm×100 mm×3 mm高溫合金，在高溫合金試片一面的中心部位釬焊熱電偶，然后在該面進(jìn)行吹砂，采用METCO（7M）等離子噴涂設(shè)備先噴涂0.1 mm左右鎳鉻鋁釔底層（過渡層），然后噴涂氧化鋯陶瓷涂層，涂層總厚度控制在0.3 mm左右，然后冷噴涂0.1～0.2 mm紅外陶瓷涂料。為做性能比較，氧化鋯熱障涂層采用兩種材料，分別為氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯和Y2O3-ZrO2納米TBCs材料。

2.3 測試方法及原理

專門設(shè)計制作在兩端能夠同時開門的箱式電爐，要求爐門嵌入爐膛的深度可調(diào)，以滿足兩端爐門放試片位置溫度相同。兩端爐門設(shè)計制作，要求在擋爐門位置方便試片插入。第一步，在兩端爐門各放一片釬焊熱電偶的空白試片，微調(diào)爐門嵌入爐膛深度，使兩端爐門高溫合金試片上熱電偶的讀數(shù)一致（代表兩端爐門試片位置溫度一致）。第二步，撤掉一端爐門上的空白試片，替換上制備好的復(fù)合陶瓷涂層試片，陶瓷涂層試片放置時，噴涂涂層一面背向爐膛。通過熱電偶讀出的兩端爐門試片溫度差即為復(fù)合涂層的降溫效果。為使復(fù)合涂層降溫性能檢測接近實際工況，用2個電風(fēng)扇選擇低速擋，距離爐門試片各0.5 m處吹風(fēng)。

2.4 測試設(shè)備

該設(shè)備為中科院沈陽計算技術(shù)研究所設(shè)計制作，檢測過程中自動控溫，計算機(jī)自動數(shù)據(jù)采集。

3 實驗結(jié)果

3.1 氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯涂層隔熱性能

對氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯涂層隔熱性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示，由圖2可以看出：單純氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯涂層在620℃，30 min，隔熱溫度可以達(dá)到81℃。

圖2 氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯室溫至620℃隔熱性能

3.2 Y2O3-ZrO2納米涂層隔熱性能

對納米氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯涂層隔熱性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示，由圖3可以看出：Y2O3-ZrO2納米涂層在620℃，30 min，隔熱溫度為74℃。

圖3 Y2O3-ZrO2納米涂層室溫至620℃隔熱性能

3.3 氧化鋯熱障涂層與紅外涂層組成復(fù)合陶瓷涂層隔熱性能

圖4 復(fù)合陶瓷涂層室溫至620℃隔熱性能

對氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯涂層與紅外涂層組成復(fù)合陶瓷涂層綜合降溫性能進(jìn)行測試，降溫效果如圖4所示，由圖4可以看出復(fù)合陶瓷涂層在640℃，30 min，降溫效果可以達(dá)到300℃以上。

4 分析討論

4.1 氣動熱效應(yīng)分析

在高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對飛行器的增重具有嚴(yán)格限制，為保證飛行器蒙皮材料具有高強(qiáng)度、低重量，鈦合金是蒙皮材料的首選，鈦合金使用溫度一般在550℃以下。高超聲速飛行器飛行時，氣動效應(yīng)引起的蒙皮溫度變化可采用如下經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[5]：

其中：TS目標(biāo)蒙皮駐點溫度；T0為周圍大氣的溫度；r為0.82，恢復(fù)系數(shù)；R為1.4，空氣的定壓熱容量和定容熱容量之比，M為馬赫數(shù)。

進(jìn)一步可得：TS=T0（1+0.164 M2）

根據(jù)以上公式，當(dāng)飛行器飛行速度為4馬赫時，蒙皮表面溫度在800℃左右，可見當(dāng)飛行器飛行速度在4馬赫時，如果使用鈦合金作為蒙皮材料，熱防護(hù)涂層降溫效果至少要達(dá)到250℃。

4.2 涂層材料要求

高超聲速飛行器涂層材料要求可以概括為兩方面：其一是輕質(zhì)和低導(dǎo)熱；其二是涂層厚度及表面狀態(tài)不影響設(shè)計飛行性能。采用熱障涂層增重、增厚小，隔熱效果好，是一種優(yōu)先選擇。表1是遼寧省輕工科學(xué)研究院生產(chǎn)氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯（鋯酸鎂）和氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料性能。

氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯與氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯涂層熱導(dǎo)率性能比較見圖5。

由表1、圖5可以看出：

（1）在1000℃以下鋯酸鎂涂層熱導(dǎo)率低于釔穩(wěn)定氧化鋯；

（2）鋯酸鎂涂層體積密度低于氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯。

圖5 鋯酸鎂穩(wěn)定氧化鋯與氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯涂層熱導(dǎo)率性能比較

通過以上比較，選用鋯酸鎂熱障涂層材料滿足1000℃以下輕質(zhì)、高隔熱的性能設(shè)計要求。

氧化鋯熱障涂層采用等離子噴涂方式噴涂在蒙皮外表，等離子噴涂參數(shù)的優(yōu)化及對涂層厚度、氣孔率等進(jìn)行有效控制，可以使涂層隔熱效果得到提高，由于影響因素多，實踐性強(qiáng)，在此不進(jìn)行詳細(xì)闡述。

4.3 高紅外輻射涂層的散熱性能

熱輻射，也稱為紅外輻射，是物體傳熱的一種重要方式。在對流和熱傳導(dǎo)受到限制條件下，它是最有效的一種加熱和散熱方式。因此，提高輻射體表面輻射系數(shù)，有利于輻射傳熱的強(qiáng)化，在工業(yè)應(yīng)用、環(huán)保節(jié)能、航空航天方面，提高熱輻射率都有非常重要意義[6]。例如，航天器的回收艙從天空穿越大氣層返回地面時，由于大氣摩擦發(fā)熱，其外表溫度高達(dá)1000℃以上，如果沒有防熱措施，航天器就會在空中燒毀。解決措施之一就是在航天器蒙皮表面上應(yīng)用高溫高發(fā)射率紅外涂層，作為輻射防熱結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)輻射，達(dá)到散熱目的[7]。美國雙子星座載人座艙的輻射熱防護(hù)結(jié)構(gòu)中，其蒙皮是用0.41 mm厚合金制成的波紋板，外表面涂有高發(fā)射率藍(lán)黑陶瓷漆[8]。

國內(nèi)在紅外輻射材料研究方面做了大量工作，并研制出較多高發(fā)射率陶瓷產(chǎn)品及涂料，如歐陽德剛等[9]對紅外輻射涂料試驗研究，采用盤式電爐加熱（形式如圖6）發(fā)現(xiàn)，無紅外輻射涂料的金屬表面溫度為300℃時，有紅外輻射涂料的金屬表面溫度只有265℃，降溫效果達(dá)到35℃。

表1 氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯和氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料性能對比

圖6 電爐加熱時有、無紅外輻射涂料金屬表面溫度測試示意圖

可見，采用高紅外輻射涂層作為最外層，在熱通量一定條件下，可以有效降低蒙皮表面溫度。

4.4 ZrO2熱障涂層隔熱性能

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，簡稱 TBCs）具有良好的隔熱效果[10]。為有效地降低金屬基體材料表面的工作溫度，國內(nèi)外通常采用熱噴涂ZrO2熱障涂層技術(shù)。ZrO2熱障涂層具有良好的高溫隔熱性能，已成熟地應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)的一級噴嘴、火焰筒、過渡段以及渦噴發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片等部件，有效地降低金屬部件基體材料表面工作溫度和熱負(fù)荷，達(dá)到提高發(fā)動機(jī)效率和使用壽命的目的。

4.5 氧化鋯涂層與紅外涂層復(fù)合方式

熱障涂層與高紅外輻射材料的復(fù)合主要有兩種方式，一種是均采用等離子噴涂方法，即噴涂完氧化鋯涂層后，再采用等離子噴涂方式，在其表面噴涂紅外輻射涂層；另一種方式是先采用等離子噴涂氧化鋯涂層，將紅外涂層材料制備成粉末，通過無機(jī)粘結(jié)劑制成紅外輻射涂料，再將紅外輻射涂料刷涂于氧化鋯涂層外表。在此選用第二種復(fù)合方法，優(yōu)點主要體現(xiàn)以下幾個方面：

（1）工藝簡單，容易施工；

（2）涂料厚度容易控制在較薄范圍，減少涂層的增重效應(yīng)；

（3）涂料固化后，表面具有較高的光潔度，可減少氣動加熱效應(yīng)；

（4）紅外涂料可以封閉熱障涂層的顯氣孔，進(jìn)一步提高熱障涂層的隔熱效果。

通過檢測結(jié)果也可以看出，正是由于熱障涂層與紅外涂層組合方式的優(yōu)化，使復(fù)合涂層的隔熱溫度遠(yuǎn)高于兩種材料各自降溫之和，可見由氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯、高紅外輻射材料組成的復(fù)合涂層，對蒙皮金屬起到散熱與隔熱相結(jié)合作用，紅外涂層在起到散熱作用的同時，還可以封閉氧化鋯涂層表面氣孔，使復(fù)合涂層對蒙皮熱防護(hù)性能更好。實驗中在640℃動態(tài)環(huán)境下，降溫效果可以達(dá)到300℃以上。

5 結(jié)論

（1）鋯酸鎂熱障涂層在620℃，30 min，隔熱溫度可以達(dá)到81℃；

（2）Y2O3-ZrO2納米涂層在 620℃，30 min，隔熱溫度為74℃，隔熱性能低于鋯酸鎂涂層；

（3）鋯酸鎂與高紅外輻射涂層組成的復(fù)合涂層在640℃，30 min，隔熱性能可以達(dá)到300℃以上；

（4）由鋯酸鎂、高紅外輻射材料組成的復(fù)合涂層，對蒙皮金屬起到散熱與隔熱相結(jié)合作用，使復(fù)合涂層熱防護(hù)效果可以達(dá)到最大化。

（5）由氧化鎂穩(wěn)定氧化鋯、高紅外輻射材料組成的復(fù)合涂層，能夠滿足速度4馬赫飛行器鈦合金蒙皮的熱防護(hù)要求，使其表面溫度由800℃降到550℃以下。