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20190911--航空发动机的高科技秘密-热障涂层(节选)

 

 

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摘要:

本文简要介绍现代发动机涡轮叶片涂层的功用及其类型,并对相关的工艺流程进行简单的了解。重点对热障涂层技术应用进行学习,以帮助飞机发动机的使用维护人员更好理解发动机涡轮叶片的工作机理和影响因素。



关键词:涡轮叶片、保护涂层、热障涂层TBC

一、概述


现在的航空发动机越造越先进、效率越来越高、推重比也有的到了20左右。

 

发动机工作起来要产生足够大的推力,就需要燃烧室中的油气高效燃烧,产生高温高压膨胀气体再驱动涡轮高效做功。

 

同时发动机的设计涡轮进口温度相应不断提高,高达1500-2000℃以上。高温燃气从燃烧室进入涡轮部分,虽然温度稍有下降,却也能使涡轮部分的转/静子叶片等热端零部件表面温度达到1200℃以上。

 

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为增加发动机的可靠性,节约维修成本,试想什么样的涡轮叶片材料能在1200℃以上的高温下长时间持续工作后(约20000小时),才需拆卸修理或更换呢?


就目前的材料技术来说,还没有什么材料能在这样的高温下满足涡轮叶片复杂的工况需求。因为涡轮叶片载荷不是耐烧就够了,它还要承受巨大的离心力、气动力、腐蚀、疲劳应力等等我们常人想不到的那些载荷。

最先进的镍基高温合金单晶体材料(nickel based single crystal materials)也只能承受1150℃的使用温度,而且差不多是其使用温度的极限值啦。


你可能要问了,不是有先进的气膜冷却技术吗?可你要知道,采用气膜冷却技术最大可使工件表面温度降低仅300℃左右而已。


对大多数航空发动机来说,就算使用气膜冷却技术,镍基高温合金单晶体材料的涡轮叶片还是不能较长时间承受如此高的工作温度。


单独使用高温结构材料技术已不能满足先进航空发动机迅速发展的迫切要求,那怎么办呢?

 

聪明的大师们想到了一个好办法,给涡轮叶片穿件耐烧的外衣。那就是在叶片的表层施加涂层来单独分担叶片的高温载荷。


而采用热障涂层技术(TBC-Thermal Barrier Coatings)是目前大幅度提高航空发动机工作温度的唯一切实可行的方法。


在美国、欧洲以及我国的航空发动机推进计划中均把热障涂层技术( TBC)列为与高温结构材料、高效叶片冷却技术并重的高性能航空发动机高压涡轮叶片技术的三大关键技术。



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二、涡轮叶片的涂层技术


为了满足涡轮前温度不断提高的需求,发动机涡轮叶片的基体材料也一直在不断地改变,从多晶材料到定向凝固铸件,再到单晶材料。


可只有涡轮叶片涂层技术对解决耐高温的问题具有明显的贡献。


TBC热障涂层是将耐高温、抗腐蚀、高隔热的陶瓷材料涂覆在基体合金表面,以提高基体合金抗高温氧化腐蚀能力、降低合金表面工作温度的一种热防护技术。


大多数的TBC热障涂层是双层结构形式的。表层为陶瓷隔热层,主要作用是隔热、抗腐蚀、冲刷和侵蚀。


底层为金属粘结层,起着改善基体与陶瓷涂层物理相容性和抗高温氧化腐蚀的作用。


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1、涂层材料


TBC热障涂层主要是由一种叫氧化钇稳定的氧化锆(YSZ-Yttria Stabilized Zirconia)物质组成。 

 

这种YSZ物质具有很高的熔点( 2700 ℃)和很低的热传导系数(根据生产工艺不同,块体材料的热传导系数略有差异,一般约为2~3W·mK ),其热膨胀系数(9~11)×10- 6 K与高温合金匹配。

 

YSZ还具有高的断裂韧性(6~9 MPa·m )和其它优良的机械性能。由于其优异的综合性能,YSZ是目前航空发动机涡轮叶片TBC热障涂层普遍采用的陶瓷层材料。

 

YSZ在工作温度低于1200 ℃的情况下性质很稳,可以使涡轮叶片使用时间大大延长。

 

可当YSZ的工作温度高于1200 ℃时,由于相变将导致YSZ体积膨胀,同时由于烧结,引起涂层致密化,将导致涂层的容应变能力下降而热应力增大,加速涂层剥落失效。

 

由于致密化和孔隙率降低,涂层的隔热能力也显著下降。

 

因此,在日常的维护孔探检查中,如果发现有涂层剥落失效情况,就要加强跟踪重复检查,防止涂层短期内快速脱落失效导致涡轮叶片基体材料的烧毁。

 

前面说了,在YSZ陶瓷层和叶片基体材料之间还有一层金属粘结层。该粘结层提高了基体的抗高温氧化腐蚀性能,缓解了YSZ陶瓷层与合金基体间的热不匹配。

 

镍钴铬铝钇合金NiCoCrAlY是目前热障涂层普遍采用的一种粘结层材料。合金组元中的Ni和Co是粘结层的基体元素,Ni基合金具有优良的缓和热应力的能力,而Co基具有优良的抗氧化和腐蚀性能,Ni+ Co的组合则使涂层兼具这些特性;

 

组元中Cr用于保证涂层的抗热腐蚀性,还可以促进氧化铝AlO的生成;Al用来保证涂层的抗氧化性,高Al含量可以提高涂层的抗氧化性能,然而Al的存在却同时使涂层的韧性降低;Y加入( 约1% )起到了氧化物钉扎和细化晶粒的作用,从而提高氧化膜的粘附力,改善涂层的抗热震性能。其合金组元可以根据使用情况的不同进行调整。

 

在高温下,粘结层中的Al向外扩散,并发生选择性氧化,形成致密的氧化铝AlO保护膜,阻止底层的进一步氧化,进而达到保护基体的目的。

 

由于粘结层成分对氧化层的生长速度、成分、完整性以及与基体的结合力等因素有决定作用,而这些因素直接影响着热障涂层的寿命, 

 

因此,粘结层成分的优化和选择对于提高热障涂层的寿命非常关键。由于粘结层的抗氧化和热腐蚀的综合性能较好, 因此, 目前航空发动机叶片热障涂层大多采用这种合金体系。

 

除了镍钴铬铝钇合金NiCoCrAlY外,扩散铝(Aluminide diffusion coatings)和白金铝化物(PtAl- Platinum Aluminides )也是很好的抗氧化、抗腐蚀涂层材料,常见于部分型号的发动机叶片上。

 

扩散铝涂层(Aluminide)是介于铝和叶片基体材料间的金属化合物。通过在容器中加热叶片和铝材到760℃-1100℃,使铝扩散渗透到叶片的表面,形成扩散铝涂层。

 

白金铝化涂层(PtAl )是先把白金电镀上零件表面,然后加热使其扩散到基体表面,最后在进行渗铝处理后形成。因为加入了白金成分,性能要比扩散铝涂层好得多。

 

2、工艺类型

 

通常TBC陶瓷涂层YSZ和NiCoCrAlY金属粘接层都可以通过大气等离子喷涂Atmospheric Plasma Spray(APS)和电子束物理气相沉积Electron Beam Physical Vapour Deposition (EB PVD)的方法实现。

 

NiCoCrAlY金属粘接层也可以通过真空等离子喷涂Vacuum Plasma Spray (VPS)来完成。

大气等离子喷涂APS在喷涂过程中会产生部分氧化物,使得涂层质地不够紧密。一般还需要进行渗铝处理,以增强其抗腐蚀、抗氧化的能力。

 

而真空等离子喷涂VPS就恰好弥补了APS的缺点,喷涂过程中极少产生氧化物,获得质地紧密的涂层。

 

当然,VPS的成本肯定就要比APS高一些。成本最高的是电子束物理气相沉积EB PVD方法,因为至少使用的设备就很贵。EB PVD获得的涂层是最干净、最质密,具有特别好的综合特性。

 

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因此,根据零部件不同工况环境的要求,以及对成本的考虑,可以采用不同的工艺过程进行组合,合理获得表面涂层和底层涂层。如下表所示:

序号

工艺组合

特点

1

VPS MCrAlY + APS TBC

- 多用于涡轮进口导向叶片的内外平台platform;

- 质地松,通常还需要进行渗铝处理;

- 成本低。

2

APS MCrAlY + APS TBC

- 用于叶身涂层;

- 质地松,通常还需要进行渗铝处理;

- 成本较低。

3

Aluminide + EB PVD TBC

- 性能好

- 成本高

4

PtAl + EB PVD TBC

- 性能较好

- 成本较高

5

EB PVD MCrAlY + EB PVD TBC

- 性能最好

- 成本最高

 

三、维修过程中对涂层的考虑

 

在发动机的日常使用和维修工作中,需要根据既定的维修方案对发动机涡轮部分叶片进行航线孔探检查或车间分解检查,根据检查结果视情修理。

 

一般航线孔探检查都是按照飞机维护手册的相关检查标准执行。

 

总体上来说对叶片涂层的检查要求都差不多,具体的缺陷标准量级略有差异。对涂层缺陷的检查需要一定的经验判断,孔探经验丰富的工作人员对叶片涂层烧蚀、剥落现象的判断相对容易些。

 

通常TBC涂层部分剥落或丢失是可接受的,不需要立即采取修复措施。有剥落区域的涂层有可能加速烧蚀并进一步剥落,因此要加强后续检查。如果TBC涂层剥落可见叶片的基体材料,则应尽快拆下叶片修理,否则叶片的基体材料很快就会被快速氧化、烧裂等烧蚀失效,影响发动机维修成本和使用安全。

 

仅仅TBC涂层的剥落,颜色差异不会特别明显,略带灰色,能明显辨别涂层脱落的层断面。如果涂层完全脱落,可见叶片黑色的基体材料,颜色差异较大,有时还伴有基体金属烧蚀状、裂纹等现象。

 

在发动机大修车间分解后,叶片涂层缺陷的检查就相对容易多了,可以直接观察到具体的剥落、烧蚀表象。

 

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叶片在修理过程中首先需要去除TBC涂层和粘结层,经过一系列修理工艺,缺陷修复后再重新喷涂TBC涂层。譬如叶片基体金属产生了裂纹、磨损,则要进行

 

- 清洗

 

- 检查

- 吹砂或高压水注去除TBC涂层

- 化学去除粘结层

- 清洁裂纹或缺陷的氧化物

- 钎焊裂纹、堆焊叶尖磨损

- 型面恢复

- 重新打穿受影响的冷却孔

- 施加粘结层并进行渗铝处理

- 施加TBC涂层

- 热处理

- 表面处理

- 修理后检查。

需要注意的是,在去除涂层时,与粘接层相接的基体金属材料也被一同去除,减少了叶片基体材料的厚度,因此,叶片的修理次数或涂层的去除次数就受到限制。

有的生产厂家会在相应的维修手册中明确限制叶片相关修理的次数。如果生产厂家手册没有给出修理次数限制的,发动机使用维护人可自行考虑对叶片相关修理次数进行控制,以提高发动机修理后的可靠性。

 

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作为部分发动机机型的OEM主要参与者,德国MTU发动机集团公司也具有施加扩散铝/渗铝涂层、铂金铝PtAl涂层及所有等离子喷涂的能力。

 

从2001年开始MTU与法国斯奈克玛Snecma在夏岱勒罗Chatellerault的50/50合资公司就已经完全能够进行EBPVD的TBC热障涂层生产能力了。

TBC涂层是航空发动机必不可少的关键技术,同时对在研、在役的军机、民机具有同样重要的意义。有资料表明,一级涡轮叶片表面涂覆TBC涂层后,可使冷却空气流量减少50%,油耗减少1% ~2%, 叶片寿命提高数倍。

开展新型耐高温、高隔热和长寿命的热障涂层的研究是航空发动机迅速发展提出的持续性要求。

另外,TBC涂层在舰船、汽车、能源等领域的热端部件上也有广泛的应用前景。

近数十年来,国内外科学家针对TBC涂层材料、涂层制备、性能表征及寿命预测等方面展开了广泛而深入的研究,研究领域涉及材料、物理、化学、力学、计算学、热学等多门学科的交叉,取得了骄人的成绩。