航空發動機熱障涂層材料體系的研究

唐治虎

（中國航發西安航空發動機有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

熱障涂層是一種常用的設備隔熱技術，通過對設備表面涂抹熱障涂層可以有效降低設備的運行溫度，同時使其具有更強的耐熱性。而在熱障涂層中最常使用的便是陶瓷涂層，這不僅僅是由于陶瓷具有較好的隔熱性能，同時也是由陶瓷涂層的成本更低所決定的。通過在設備表面添加陶瓷涂層既可以使其得以在高溫環境中運行，甚至還可以使其熱效率達到60%以上。此外，隨著熱障涂層技術應用的逐步廣泛，人們也發現熱障涂層技術既可以有效提升設備的耐熱性，同時也可以有效提升其硬件設施的耐腐蝕性。因此，通過利用熱障涂層技術不僅僅可以有效提升各類設備的工作效率，同時更可以提升其使用年限。

1 航空發動機熱障涂層材料的作用

在上文中提到熱障涂層材料的主要作用是提升航空發動機的耐熱性及散熱性等，從而促使航空發動機得以在高溫環境下保持較高的性能。然而除此之外，航空發動機熱障涂層材料的應用也可以有效提升氣冷葉片的工作效率。氣冷葉片是航空發動機散熱系統中極為重要的組成設備之一，其可以通過高速旋轉，從而促進航空發動機內部的空氣流通，進而將航空發動機中的高溫氣體排出。而熱障涂層材料在氣冷葉片中的應用不僅僅可以有效避免高溫氣體出現回流的現象，同時更可以提升氣冷葉片的耐熱性及耐腐蝕性等，進而有效提升其使用壽命。第二，熱障涂層材料在航空發動機中的應用也可以有效提升發動機的渦輪進口溫度。眾所周知，發動機的渦輪進口溫度關系到發動機的熱效率，因此通過提升航空發動機的渦輪進口溫度既可以提升發動機的工作效率，促使其發揮更好的性能，同時其也可以有效降低對航空燃油的損耗。第三，熱障涂層材料在航空發動機中的應用也可以延長其中各類零部件的使用壽命。由于熱障涂層材料不僅僅具有較強的耐熱性，同時還具有一定的耐腐蝕性以及抗氧化性等。因此，通過對其進行應用也可以避免發動機中的零部件出現氧化以及腐蝕等現象，從而提升發動機的使用年限。第四，通過在航空發動機中應用熱障涂層材料也可以降低壓氣機的冷卻氣流量，從而降低飛機在飛行過程中的耗油量。最后，航空發動機中熱障涂層材料的應用也可以對現有冷卻通道的設計進行優化與簡化。由于熱障涂層材料的應用可以降低冷卻氣流的流量，因此在應用熱障涂層材料后便可以適當降低葉片的加工成本，從而對現有的冷卻通道進行簡化。

2 熱障涂層的結構

通常航空發動機中所常用的熱障涂層結構大致有以下三種，其分別是雙層結構、多層結構以及梯度系統。在以上三種熱障涂層結構中最為常見的便是雙層結構，雙層結構主要由陶瓷涂層以及粘結層所構成。其中陶瓷層可以有效提升航空發動機外層的隔熱性，從而使其得以在高溫環境下發揮出優異的性能。而粘結層則可以為航空發動機的硬件設備提供更強的耐腐蝕性以及抗氧化性等，從而有效降低航空發動機生銹以及損壞的可能性。同時，與其余兩種熱障涂層結構相比，雙層結構還具有耐熱性更強以及施工成本降低等諸多優點。多層結構與雙層結構相比其在熱障涂層結構中具有多層陶瓷層，并且在每兩層陶瓷層之間還具有一些封阻層等。這樣的設計雖然導致了施工成本及施工難度的增加，但是其也可以為航空發動機提供更好的隔熱性以及耐腐蝕性等，從而更好地保護航空發動機的穩定運行。

3 航空發動機熱障涂層體系

3.1 陶瓷表層材料

陶瓷表層材料是航空發動機熱障涂層體系中極為重要的一部分，其不僅僅被廣泛應用于雙層結構中，同時在多層結構以及梯度系統中也具有極為廣泛的應用。通過對陶瓷表層材料進行應用不僅僅可以對航空發動機的表層進行一定的保護，同時更可以提升其隔熱性。而為了更好地加強航空發動機的抗熱性，工程師在選用陶瓷表層材料的過程中不僅僅需要考慮到其陶瓷材料的熔點以及熱反射率，同時更需要考慮到陶瓷材料的抗熱性、抗氧化性等。這是由于若是陶瓷表層材料無法具備較高的熔點以及熱反射率等，那么其在高溫環境中極有可能會出現龜裂以及融化等現象。這一現象不僅僅會導致航空發動機直接暴露在高溫環境中，同時還會對航空發動機的正常運轉造成一定的影響。而陶瓷表層材料的抗腐蝕性以及抗氧化性等也會對熱障涂層體系的使用年限以及航空發動機的使用年限等造成極為嚴重的影響[4]。

3.2 粘結層材料

粘結層材料同樣也是熱障涂層體系中較為重要的一部分，其通常被用于雙層以及多層熱障涂層體系中。在上文中提到粘結層材料的主要作用是為航空發動機提供較高的抗氧化性以及抗腐蝕性等，從而延長航空發動機的使用壽命。此外，粘結層材料的使用也可以有效避免陶瓷層材料與航空發動機表層金屬出現不適配的現象。正是由于粘結層材料具有以上幾種作用，因此工程師在選用粘結層材料時不僅僅需要考慮到其在常溫環境下的抗氧化性以及耐腐蝕性等，同時更需要考慮到粘結層材料在高溫環境以及多種溫度環境中的抗腐蝕性等。并且，由于粘結層還擔負著連接陶瓷層以及金屬基體的重要作用，因此其相關材料所具有的抗熱性以及穩固性等也十分重要。

4 熱障涂層失效模式研究

雖然熱障涂層材料在航空發動機中的應用可以有效提升航空發動機表層金屬的隔熱性以及抗腐蝕性、抗氧化性等，從而進一步延長航空發動機的使用年限。但熱障涂層材料在某些特定的環境中也會出現失效的現象。據相關數據顯示，常用的雙層熱障涂層在1100℃以及30min加熱環境、5min的空氣冷卻中將會出現一定程度的龜裂現象。并且，隨著時間的延長，熱障涂層中所出現的破損點也在逐步增加。導致這一現象的主要原因便是由于在高溫環境中陶瓷涂層以及粘結涂層中間出現了一定的組織應力與結構應力，其導致熱障涂層出現了大量的皺紋，進而使得其表層出現了大量的裂縫。同時，粘結層由于受到高溫影響所產生的快速養護也會導致熱障涂層產生龜裂以及破損等，從而導致熱障涂層的失效[5]。

5 結語

綜上所述，飛機中航空發動機的長時間運行不僅僅會導致其性能釋放受到一定的阻礙，同時更會降低航空發動機的使用壽命。而為了解決這一問題，工程師首要解決的是航空發動機溫度過高這一問題。在面對這一問題時，工程師不僅僅需要加強航空發動機的散熱，同時更需要提升發動機的耐熱性，而這需要使用熱障涂層技術。當前最為常見的熱障涂層技術便是陶瓷層熱障涂層技術，其不僅僅可以有效加強發動機的隔熱性，同時更具有較低的成本。然而，陶瓷涂層在使用過程中也會出現與某些基體不適配的現象。這時便需要使用粘結層材料的熱障涂層。通過利用這一涂層不僅僅可以有效緩解陶瓷涂層所出現的不適配問題，同時更可以加強航空發動機的抗氧化性，從而有效提升航空發動機的使用年限。雖然熱障涂層技術的使用可以有效提升發動機的抗熱性及散熱性等，但其在某些特定環境中也會出現失效的現象。因此，工程師仍應加強對熱障涂層材料體系的研究，相信在不久的將來我國將會出現更加優異的熱障涂層材料。