热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究

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1、2011t■37■■2mvoI37No2^Dr201热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究张志强．宋文兴，陆海鹰中航工业沈阳发动机设计研究所。沈阳110015张{％(1963J，男．自％科学研R目．从事Ki盘自机涡轮≈却叶片口计I作。引言摘要从热障溶￡喜女#一#∞目月需求0发，Ⅲ￡r自瓷搀R女E∞材#々“§^t，☆镕T热障#E∞#丰ⅢⅢ#±{I￡特点．#女7#《☆*在喷％过《十所产±∞站$气《n、减D#气Ⅲg镕1匠《劳性＆，逵挡#jⅢ∞难^H《，％mT*≈潦E叶R在E#扣R{十自考棱结％，美键月：热库涤目；镕轮叶片；航i发动机．等离子：电

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5、1一physlcaImordB00sltlon商推前比足先进航空发动机的显著标志．实脱离推重比最直接手段就是提高涡轮进[1温度，限制祸轮进口温度水平的主要因素是涡轮叶片的承温能力。在涡轮叶片燃气沉道表面喷涂热F§涂屡，列提高叶片承温能力有非常直接的艘粜．Jf对短时l训的超滩有很好的缓

6、解作用。国外热障擦脏在军、艮航卒发动机t止获广泛应用，据资料介绍，町敷樽5睢150℃的隔热效果。涡轮叶片工作温度一般都接近其材料的许用温度，此时如果涡轮叶片每降低15℃，其持久打命约延K1倍。在结构和冷却效果不变的条件F．束j}i热障涂层技术nr以使叶片寿命延长约30倍；在保持零件寿命不变的条件下，减少冷却空气用量约20％一30％。扶而大幅度提高性能、降低耗油牢。因此，从町靠性增长、发动机延寿以及其发展型的研制需求来看．热障涂层是当代先进涡轮发动机设计_=f{=可或缺的选择，

7、2商瓷热障涂层的选材与制备方法2I陶瓷热障潦层材料热障涂层(简称

8、TBc)技术屉】种表面处理技水张者强赛：热障涂层在瓢空发动觚涡轮叶性上昀豳用研究陶瓷涂层上的温降是目标所在。图l热障涂层工作原理2．1．1陶瓷面层(工作层)导热系数是热障涂层材料的1个关键参数。导热系数越小，隔热效果就越好。以氧化锆(z巾：)为主晶相的陶瓷材料具有热导系数小(金属的l／10)、熔点高(2677℃)、惰性(不易与金属发生反应)，尤其是具有相对较高的热膨胀系数，使其成为理想的热障涂层材料。zm：热障涂层存在1个问题，即纯z巾：在不同温度下将发生伴有体积变化的相结构转变，会导致涂层内裂纹的形成和材料的损坏。因此，一般均需使用氧化钇

9、(Y20，)等作稳定剂制成部分稳定的多晶相Z曲：(常用YsZ表示)。该涂层具有很高的强度和韧性，可以增强涂层的黏接强度，提高涂层的抗热疲劳性能。采用质量分数为69猢％Y20，部分稳定的z帕：在1100℃时具有最好的抗热震性能，这个温度正是目前航空发动机涡轮叶片表面的热点工作温度，故一般选用质量分数为6％～8％Y20，部分稳定的z—02做涡轮叶片热障涂层的面层(工作层)。2．1．2金属黏接层(底层)虽然z内：是高温陶瓷中热膨胀系数最高的，但也只有高温合金基体的70％左右，如果直接涂覆在金属表面，由于热膨胀系数的差异将导致涂层脱落，达不到工程应

10、用的目的。为此，必须在陶瓷面层和金]8／39属基体之间增加金属黏接层(底层)，在金属和陶瓷之间起黏接和缓冲热应力的作用。一般选用McrAlY作为金属黏接层，该材料即能满足黏接陶瓷层的要求，同时又能提供涡轮叶片所必须的抗高温氧化腐蚀能力，无论作为陶瓷层的黏接层，还是抗氧化腐蚀涂层，都有着大量的基础研究和相当成熟的工程应用经验，已被广泛采用。综上所述，航空发动机涡轮叶片采用的热障涂层一般由2部分组成：YSZ作为热障涂层的面层，选用MCrAlY作为金属黏接层(底层)。2．2陶瓷热障涂层制备方法2．2．1金属黏接层作为金属黏接层的MCrAlY涂层，

11、在工厂现有生产条件下，为尽可能提高涂层的黏接强度，选用超声速火焰喷涂、真空电弧镀等喷涂方法。超声速火焰喷涂因喷枪火焰出口速度高，经试验证明可以获得较好的喷涂质量；而真空电弧镀涡轮