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热障涂层的发展历程

发布日期:2018-06-29 作者:振中电熔 点击:

  航空技术的发展对国家国防和经济建设有着重要的影响,涉及国家安全及国计民生的核心利益。航空涡轮发动机是现代航空飞行器的核心,标志着航空技术的发展水准。对飞行速度,飞行距离及安全性能等需求不断提升,使得航空涡轮发动机向大推力、高效率、低油耗和长寿命方向发展,为此,涡轮发动机涡轮前温度需要不断提高。作为目前最有效的提升涡轮发动机涡轮前温度的措施,在叶片材料表面制备热障涂层(TBC)是半个世纪来材料科学领域研究的长期热点。进入21世纪后,我国航空涡轮发动机的需求也越来越大,同时,工业燃气轮机也有热障涂层的需求,因此,热障涂层的研究、开发与制备技术有着巨大的市场和经济、军事、社会效益。

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  1、热障涂层的发展历程


  热障涂层研究始于20世纪40年代末50年代初,美国NASA最先将其应用于X-15火箭喷嘴,创造了当时速度(6.72Mach)和升限(108km)记录。


  20世纪70年代中期,双层涂层系统(粘结层+氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)开发成功使热障涂层研究获得突破性的进展,开始广泛应用于燃气轮机涡轮叶片、导向叶片、火焰筒等热端部件上等,被称为第一代热障涂层。20世纪80年代初期,美国Pratt&Whitney公司采用低压等离子喷涂(LPPS)制备更耐氧化的金属粘结层NiCoCrAlY,寿命比采用大气等离子喷涂(APS)的第一代热障涂层的寿命提高了2.5倍。1980年代末,开发出第三代热障涂层,即用LPPS制备金属粘结层,用电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备YSZ陶瓷层,燃烧器试验表明,第三代热障涂层寿命比第二代热障涂层寿命提高了10倍,可提高叶片寿命3倍[4]。20世纪90年代末,又开发出了第四代热障涂层,其热导率更低,该涂层在JTDEXTE76验证机低压涡轮叶片上成功进行了试验验证。


  经过几十年的发展,热障涂层的工艺方法随着涂层制备技术的发展而不断改进,由APS→LPPS→EB-PVD。近年来,因为可以提高陶瓷涂层致密度,减少高温条件下氧的渗透,激光制备技术也出现在热障涂层的工艺方法研究中,并取得初步成果。


  热障涂层的双层涂层系统结构(粘结层+陶瓷层)几十年来基本保持不变,但涂层成分和细微结构一直不断被深入研究,并且不断发展。


  国内外许多学者对陶瓷层展开研究,NASA在实验室中成功研发出的HfO2-Y2O3热障涂层,试验结果表明,加入多种氧化物的热障涂层具有更好的热循环性能。有学者认为稀土锆酸盐是未来热障涂层的发展方向,稀土锆酸盐材料A2B2O7(A=La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb,B=Zr,Ce等)导热系数低,在高温下物相和化学成分更稳定,应用前景良好,但稀土锆酸盐热障涂层还存在如热膨胀系数与粘结层热膨胀系数不匹配、稀土锆酸盐韧性不足、抑制裂纹萌生与扩展的能力不强、制备工艺复杂等问题需要解决


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