熱障涂層技術在航空發動機渦輪葉片上的應用

王博 殷紹海

摘 要：經濟和技術的快速發展有效地推動了我國航空發動機發展，新時期高推重比航空發動機已經成為航空發動機發展的主要方向，在提高航空發動機推重比的眾多措施中最直接方式是提高航空發動機渦輪進口溫度，以使得航空發動機在工作過程中能夠更好地加熱、壓縮空氣，從而使得航空發動機能夠產生更高推重比。而航空發動機渦輪進口溫度主要受航空發動機渦輪葉片承溫能力影響。熱障涂層應用于航空發動機渦輪葉片上將有助于提高航空發動機渦輪葉片承溫能力。本文將就航空發動機渦輪葉片熱障涂層的特點及技術應用進行分析闡述。

關鍵詞：航空發動機；渦輪葉片；熱障涂層

中圖分類號：V261 文獻標志碼：A

0 前言

當前，我國的航空產業高速發展，對于各種大型、新型飛機的需求不斷增加。高推重比航空發動機具有較大的推重比、良好的燃油利用性成為現今航空發動機產業重要的發展方向，為提高航空發動機的推重比提高航空發動機渦輪葉片的承溫能力以使得溫度更高的壓縮空氣能夠進入到航空發動機中是航空發動機推重比提高的重要方式之一。通過熱障涂層應用將能夠使得航空發動機渦輪葉片具有更高的承溫能力。

1 熱障涂層簡述

熱障涂層指的是通過使用陶瓷等材料在物體表面通過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，通過陶瓷等耐高溫材料所形成的熱障涂層來隔離外部熱量，降低基底的溫度，據研究表明，通過應用熱障涂層將能夠有效提高被涂覆物體約60%的熱效率。

熱障涂層技術實施關鍵是要通過噴涂等技術將陶瓷等耐熱材料以涂層形式與基體進行復合，從而使得基體具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損性能。熱障涂層技術的發展和應用關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，其在零部件表面所噴涂材料屬于具有低導熱系數的材料，在工作的過程中利用材料低熱傳導特性在材料內外表面形成降溫，用以完成對于噴涂零部件的熱屏障保護。

一般來說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層溝通構成零部件表面陶瓷熱障涂層。熱障涂層技術發展至今經過了多次演變，且制備設備也在不斷地更新用以滿足越來越高的性能指標要求。總體來說現今應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、生產效率高以及可以對多種類型和規格的零部件進行噴涂加工。但是等離子噴涂法也存在著一定的不足，其對于復雜零部件表面的熱障涂層噴涂無法取得良好的噴涂效果，且在噴涂作業中對于熱障涂層噴涂的厚度和均勻度也無法進行較為良好的控制，從而導致等離子噴涂法在完成零部件表面的噴涂作業后容易出現厚度不均、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部都具有較高的強度，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，能夠對形狀復雜的零部件進行熱障涂層噴涂作業。但是電子束物理氣相沉積法也存在著一些不足，由于熱障噴涂作業所使用的涂料中其各組成元素的蒸發壓力相差較大，從而致使在使用電子束物理氣相沉積法進行零部件表面的熱障涂層噴涂作業時噴涂作業效率和對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，且對于復雜零部件進行熱障噴涂作業時容易出現“陰影”效應。

2 應用于渦輪葉片上的熱障涂層及熱障涂層制備技術

現今在實際的熱障土層噴涂作業中投入應用的噴涂作業方法有：等離子噴涂法、激光等離子復合噴涂法、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用較多也是應用較為廣泛的熱障涂層噴涂技術。

在應用電子束物理氣相沉積法時，通過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較小的區域內實現高能量集中所產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沉積到待噴涂的零部件表面形成熱障涂層。

應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：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，柱狀晶在生長過程中沿著壁面方向進行生長。在高溫下柱狀晶與柱狀晶之間的連接狀態可以分開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行膨脹或是收縮而不會產生裂紋，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發動機渦輪葉片表面熱障涂層能夠減小燃氣阻力，尤其是像航空發動機渦輪葉片表面這種燃氣流速極高的零部件，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，遠低于等離子噴涂法所形成的2μm涂層厚度。

等離子噴涂技術是最早應用于制造熱障涂層的涂層制備技術。在等離子噴涂技術工作中，由等離子噴槍所產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，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熔融狀態的球型粉末將會產生塑性變形，附著在零部件表面的各顆粒也依靠塑性變形而相互黏結在一起。噴涂時間與零部件表面的熱障涂層厚度呈正比。等離子噴涂技術噴涂作業中主要有常規、高能和低壓等3種等離子噴涂形式：

（1）常規等離子噴涂形式在噴涂作業中利用氮和氬等離子來作為等離子加熱氣體用以對噴涂粉末進行噴涂作業。通過將陶瓷或是金屬粉末加熱至熔融狀態并噴射向零部件用以形成金屬堆積完成對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、更強能夠形成強度更高、密度更強的等離子涂層。

（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，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量較好的熱障涂層。

3 熱障涂層噴涂作業中需要注意的問題

在航空發動機渦輪葉片進行熱障涂層噴涂作業時需要注意以下幾點內容：

（1）航空發動機渦輪葉片多為雙聯或是多聯結構且葉片表面分布有大量的氣膜孔，熱障噴涂作業時需要注意避免堵塞氣膜孔。噴涂作業時應當根據氣膜孔與渦輪葉片表面法線的方向來調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，并適當的調整噴槍的停留時間來控制噴涂厚度。

（2）熱障噴涂作業會對渦輪導向器的面積造成一定的影響，在噴涂作業中需要結合葉片不同組別的特點，調整導向器的面積提高航空發動機的性能。由于渦輪葉片結構、形狀復雜其對噴涂作業會產生一定的遮擋，在噴涂作業中需要結合工件特點來對噴涂角度和距離以及轉盤速度進行適時的調整，最大限度地確保噴涂的效果。

結語

熱障涂層技術在航空發動機渦輪葉片上的應用能夠有效地提高葉片的承溫性能，提高發動機的推重比。等離子噴涂技術能夠在熱障噴涂中發揮出良好的效果能滿足渦輪葉片熱障涂層噴涂工藝技術要求。

參考文獻

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[2]李釗，蔡文波.熱障涂層技術在航空發動機渦輪葉片上的應用[J].航空發動機，2015，41（5）：67-71.