航空发动机涡轮叶片热障涂层应用的关键技术和问题.pdf

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1、航空发动机涡轮叶片热障涂层程玉贤，王璐。袁福河(中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳110043)[摘要】热障涂层是提高涡轮叶片可靠性和服役寿命的关键技术。从热障涂层的粘结层与涡轮叶片高温合金基体的匹配性、CMAS(一种基于CaO、MgO、A1203和Si02等多种氧化物构成的环境沉积物)形成及其对热障涂层的损伤和相应的防护、叶片热障涂层厚度分布的过程控制、热障涂层制备过程中气膜孔缩孔、热障涂层的在线无损检测及涂层返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面论述了航空发动机涡轮叶片热障涂层工程应用技术和需要解决的实际问题。关键词：热障涂层；CMAS；气膜孔；无损检测；返修D

2、oI：10．16080／j．issnl67l-833x．2017．15．028程玉贤博士，现为中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司高级工程师，研究方向为航空发动机功能涂层的工程化应用等。先后承担多项上级课题和公司级课题攻关，发表论文多篇．授权专利5项。28航空制造技术·2017年第15期涡轮叶片是航空发动机核心零部件，它一直处于高温、高压、高速的燃气腐蚀工作环境中，承受着离心力、气动力、温度应力等循环交变载荷与动载荷作用，服役环境非常恶劣【l】。为了满足涡轮叶片长寿命和高可靠性需求，高性能航空发动机涡轮叶片表面无一例外地施加热障涂层[2-5]o热障涂层一般由抗氧化腐蚀性能良

3、好的金属粘结底层和导热系数较低的陶瓷面层组成，具有降低叶片表面温度、提高叶片抗高温氧化腐蚀能力、延长服役寿命、降低发动机油耗等优点，是与先进高温结构材料技术、高效冷却技术并重的涡轮叶片3大关键技术之一16-81。热障涂层的制备可以通过多种途径实现。但从热障涂层技术的发展历史及其应用来看，涂层的制备技术以大气等离子喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB—PVD)两种为主【3】。不同方法制备的热障涂层具有不同的微观组织结构和性能特点。APS工艺制备的热障涂层呈典型的片层状结构，热导率较低，隔热效果好，但其表面粗糙度高，喷涂过程中容易导致叶身气膜孑L堵塞，涂层抗冲蚀性能差，应变容

4、限低。EB—PVD工艺制备的热障涂层呈典型的柱状晶结构，具有较高的应变容限和抗冲蚀性能。国外热障涂层工程化应用研究单位主要有德国ALD公司，乌克兰巴顿焊接研究所国际电子束技术中心(ICEBT)，俄罗斯彼尔姆发动机厂(PermEngine)，美国Praxair、Chromalloy、Pratt＆WhitneyAircraft、GeneralElectricAircraftEngine公司，瑞士OerlikenMetco公司和法国CeramicCoatingCenter公司(Snecma和MTU合资公司)。表1列举了GE和PW公司热障涂层应用的典型案例㈣。从表1可以看出，不同航空

5、发动机厂家选择的涂层材料、制备工艺有QQy巨基墨工Q基∑．i璧至．1盟所不同。涡轮叶片结构复杂，工作环境恶劣，本文尝试从金属粘结层和高温合金基体的匹配性、陶瓷面层和环境的匹配性、制备过程工艺性，以及服役过程中涂层出现剥落问题后如何返修以满足涡轮叶片全寿命周期需求等方面阐述航空发动机涡轮叶片热障涂层应用进展。金属粘结层和高温合金基体的匹配性金属粘结层作为陶瓷面层和高温合金基体之间的过渡层，其作用主要有两个：一是降低陶瓷面层和高温合金基体之间由于热膨胀系数不匹配所引起的热应力；二是提高整个热障涂层体系的抗氧化腐蚀性能(YSZ陶瓷面层是氧离子导体，且多为多孔或柱状晶结构，这些结构会

6、成为腐蚀介质的快速扩散通道，加剧高温合金基体的腐蚀)。粘结层的成分设计对热循环过程中氧化物的生长速度、成分、与基体的结合力等有决定性的作用，并且粘结层材料应能与高温合金基体形成良好的界面扩散阻力，以避免在服役过程中出现基体和粘结层性能的退化。目前较为常用的粘结层有MCrAlY(M为Ni、Co或Ni+Co)涂层和(Ni，Pt)Al涂层。(Ni，Pt)A1涂层表面形成的氧化物较为平整，界面结合力好，但涂层成分受基体化学成分和微观结构限制，成分不容易按照要求控制，涂层对基体合金的力学性能影响较大。MCrAlY涂层作为可控组分涂层，可以通过调控涂层成分实现抗氧化型和抗热腐蚀型，从而满

7、足不同的工作环境和不同基体合金的需要。随着涡轮前燃气温度的提高，单晶高温合金中c含量的减少和Re含量的增加，合金基体和涂层之间的互扩散问题越来越严重，如图1【101所示。为了提高涂层体系的界面稳定性，国内外发展了高温合金纳米晶涂层⋯一51、扩散障涂层m。181和相平衡涂层”9。221，在保持良好抗高温氧化腐蚀性能的同时，有效地解决了涂层／合金基体界面互扩散的问题。陶瓷面层和环境的匹配性近年来，随着涡轮前燃气温度的不断提升，CMAS附着在热障涂层表面，并在高温环境下熔融、渗入涂层内部，成为影响先进航空发动