新一代超高溫熱障涂層研究

鄭 蕾， 郭洪波， 郭 磊， 彭 徽， 宮聲凱， 徐惠彬

(北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191)

高渦輪前進口溫度是高推重比航空發動機的一大特征。推重比10一級航空發動機的渦輪前進口溫度(TIT)為1850～1988K，推重比12～15一級航空發動機的渦輪前設計進口溫度為2000～2100K，而推重比15～20一級航空發動機的渦輪前進口溫度更高，將達到2100～2200K。即使采用最先進的氣冷結構技術，航空發動機渦輪葉片表面達到的溫度也將遠遠高于目前渦輪葉片合金材料所能承受的極限溫度。在葉片表面采用耐高溫的陶瓷熱障涂層是先進航空發動機迅速發展提出的迫切需求。推重比10一級航空發動機已采用了以氧化釔部分穩定氧化鋯(YSZ)為陶瓷層的熱障涂層，推重比12～15等更高一級航空發動機將設計采用工作溫度更高的超高溫熱障涂層。在先進燃氣渦輪發動機中，高溫防護涂層與高溫結構材料、高效冷卻并重為渦輪葉片的三大關鍵科學技術。

熱障涂層(TBCs)是將耐高溫、低導熱、抗腐蝕的陶瓷材料以涂層的形式與基體合金相復合，以降低金屬熱端部件表面溫度、提高基體合金抗高溫氧化腐蝕性能的一種熱防護技術。TBCs主要應用在航空發動機熱端部件包括高壓渦輪導向葉片、渦輪轉子葉片和燃燒室等，其中，轉子葉片是結構最復雜、材料工藝技術含量最高、工作條件最苛刻的部位之一。熱障涂層在燃氣渦輪發動機上使用，可以提高渦輪前進口溫度，從而提高發動機的工作效率;同時，大幅度降低熱端部件的表面溫度，提高部件的壽命和可靠性;此外，TBCs還起著降低油耗，改善發動機氣動力學性能的作用。……