热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用

王博 殷绍海

摘 要：经济和技术的快速发展有效地推动了我国航空发动机发展，新时期高推重比航空发动机已经成为航空发动机发展的主要方向，在提高航空发动机推重比的众多措施中最直接方式是提高航空发动机涡轮进口温度，以使得航空发动机在工作过程中能够更好地加热、压缩空气，从而使得航空发动机能够产生更高推重比。而航空发动机涡轮进口温度主要受航空发动机涡轮叶片承温能力影响。热障涂层应用于航空发动机涡轮叶片上将有助于提高航空发动机涡轮叶片承温能力。本文将就航空发动机涡轮叶片热障涂层的特点及技术应用进行分析阐述。

关键词：航空发动机；涡轮叶片；热障涂层

中图分类号：V261 文献标志码：A

0 前言

当前，我国的航空产业高速发展，对于各种大型、新型飞机的需求不断增加。高推重比航空发动机具有较大的推重比、良好的燃油利用性成为现今航空发动机产业重要的发展方向，为提高航空发动机的推重比提高航空发动机涡轮叶片的承温能力以使得温度更高的压缩空气能够进入到航空发动机中是航空发动机推重比提高的重要方式之一。通过热障涂层应用将能够使得航空发动机涡轮叶片具有更高的承温能力。

1 热障涂层简述

热障涂层指的是通过使用陶瓷等材料在物体表面通过喷涂等的工艺方式使其沉积在高温合金或是耐高温金属表面，通过陶瓷等耐高温材料所形成的热障涂层来隔离外部热量，降低基底的温度，据研究表明，通过应用热障涂层将能够有效提高被涂覆物体约60%的热效率。

热障涂层技术实施关键是要通过喷涂等技术将陶瓷等耐热材料以涂层形式与基体进行复合，从而使得基体具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损性能。热障涂层技术的发展和应用关键是要做好耐高温材料等的研究和耐高温材料喷涂和涂层的沉积用以在高温合金基体表面形成隔熱障层。热障涂层是一种表面涂覆技术，其在零部件表面所喷涂材料属于具有低导热系数的材料，在工作的过程中利用材料低热传导特性在材料内外表面形成降温，用以完成对于喷涂零部件的热屏障保护。

一般来说热障涂层所使用材料主要为陶瓷类材料，由陶瓷面层和金属黏结层沟通构成零部件表面陶瓷热障涂层。热障涂层技术发展至今经过了多次演变，且制备设备也在不断地更新用以满足越来越高的性能指标要求。总体来说现今应用较多也较为广泛的热障涂层制备法主要有等离子喷涂法和电子束物理气相沉积法。等离子喷涂法具有喷涂速度快、生产效率高以及可以对多种类型和规格的零部件进行喷涂加工。但是等离子喷涂法也存在着一定的不足，其对于复杂零部件表面的热障涂层喷涂无法取得良好的喷涂效果，且在喷涂作业中对于热障涂层喷涂的厚度和均匀度也无法进行较为良好的控制，从而导致等离子喷涂法在完成零部件表面的喷涂作业后容易出现厚度不均、表面粗糙等的缺陷。电子束物理气相沉积法所获得的热障涂层其涂层与基体之间以及热障涂层内部都具有较高的强度，且使用电子束物理气相沉积法完成喷涂的零部件表面光洁度较高且厚度较为均匀，能够对形状复杂的零部件进行热障涂层喷涂作业。但是电子束物理气相沉积法也存在着一些不足，由于热障喷涂作业所使用的涂料中其各组成元素的蒸发压力相差较大，从而致使在使用电子束物理气相沉积法进行零部件表面的热障涂层喷涂作业时喷涂作业效率和对喷涂材料的使用率等都有所不足，加之电子束物理气相沉积法的成本较高，且对于复杂零部件进行热障喷涂作业时容易出现“阴影”效应。

2 应用于涡轮叶片上的热障涂层及热障涂层制备技术

现今在实际的热障土层喷涂作业中投入应用的喷涂作业方法有：等离子喷涂法、激光等离子复合喷涂法、激光熔覆法以及电子束物理气相沉积法。其中等离子喷涂法和电子束物理气相沉积法是两种应用较多也是应用较为广泛的热障涂层喷涂技术。

在应用电子束物理气相沉积法时，通过将待喷涂的零部件放置于真空容器中，利用高能电子束在一个较小的区域内实现高能量集中所产生的热量热化陶瓷靶材，从而使得融化后的陶瓷靶材所形成的陶瓷蒸汽以原子形态沉积到待喷涂的零部件表面形成热障涂层。

应用电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层具有以下几方面的特点：电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层组织形成的是垂直于基体表面的柱状晶，柱状晶在生长过程中沿着壁面方向进行生长。在高温下柱状晶与柱状晶之间的连接状态可以分开以使得电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层能够在基体上完全进行膨胀或是收缩而不会产生裂纹，从而使得电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层具有良好的抗疲劳特性。

由电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层具有较高的抗氧化性和表面光滑性，这一特性使得电子束物理气相沉积法所形成的飞机发动机涡轮叶片表面热障涂层能够减小燃气阻力，尤其是像航空发动机涡轮叶片表面这种燃气流速极高的零部件，其所形成的抗氧化性和表面光滑性能够有效地增强热障涂层的使用寿命。使用电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层相较于其他几种热障涂层喷涂法其抗剥落特性要较为优异，且电子束物理气相沉积法所形成的热障涂层表面光滑、粗糙度仅为0.7μm左右，远低于等离子喷涂法所形成的2μm涂层厚度。

等离子喷涂技术是最早应用于制造热障涂层的涂层制备技术。在等离子喷涂技术工作中，由等离子喷枪所产生的等离子体与涂覆料管所输送的物料粉末在等离子焰流中被加热至熔融状态，并由高速等离子流喷涂在零部件的表面。高速喷涂流在与零部件表面接触时熔融状态的球型粉末将会产生塑性变形，附着在零部件表面的各颗粒也依靠塑性变形而相互黏结在一起。喷涂时间与零部件表面的热障涂层厚度呈正比。等离子喷涂技术喷涂作业中主要有常规、高能和低压等3种等离子喷涂形式：

（1）常规等离子喷涂形式在喷涂作业中利用氮和氩等离子来作为等离子加热气体用以对喷涂粉末进行喷涂作业。通过将陶瓷或是金属粉末加热至熔融状态并喷射向零部件用以形成金属堆积完成对于零部件表面的土层喷涂。

（2）高能等离子喷涂形式喷涂功率较大，所形成的喷涂等离子流速度更快与零部件表面的等离子碰撞更快、更强能够形成强度更高、密度更强的等离子涂层。

（3）低压等离子喷涂形式。低压等离子喷涂形式所形成的等离子束径粗且长，速度高且含氧量低，因此完成喷涂的涂层含氧量较低能够形成质量较好的热障涂层。

3 热障涂层喷涂作业中需要注意的问题

在航空发动机涡轮叶片进行热障涂层喷涂作业时需要注意以下几点内容：

（1）航空发动机涡轮叶片多为双联或是多联结构且叶片表面分布有大量的气膜孔，热障喷涂作业时需要注意避免堵塞气膜孔。喷涂作业时应当根据气膜孔与涡轮叶片表面法线的方向来调整喷涂方向用以尽量确保喷涂方向与气膜孔的方向相垂直，并适当的调整喷枪的停留时间来控制喷涂厚度。

（2）热障喷涂作业会对涡轮导向器的面积造成一定的影响，在喷涂作业中需要结合叶片不同组别的特点，调整导向器的面积提高航空发动机的性能。由于涡轮叶片结构、形状复杂其对喷涂作业会产生一定的遮挡，在喷涂作业中需要结合工件特点来对喷涂角度和距离以及转盘速度进行适时的调整，最大限度地确保喷涂的效果。

结语

热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用能够有效地提高叶片的承温性能，提高发动机的推重比。等离子喷涂技术能够在热障喷涂中发挥出良好的效果能满足涡轮叶片热障涂层喷涂工艺技术要求。

参考文献

[1]文生琼，何爱杰，王皓.热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用[J].燃气涡轮试验与研究，2009，22（1）：59-62.

[2]李钊，蔡文波.热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用[J].航空发动机，2015，41（5）：67-71.