航空发动机热障涂层材料体系的研究

唐治虎

（中国航发西安航空发动机有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

热障涂层是一种常用的设备隔热技术，通过对设备表面涂抹热障涂层可以有效降低设备的运行温度，同时使其具有更强的耐热性。而在热障涂层中最常使用的便是陶瓷涂层，这不仅仅是由于陶瓷具有较好的隔热性能，同时也是由陶瓷涂层的成本更低所决定的。通过在设备表面添加陶瓷涂层既可以使其得以在高温环境中运行，甚至还可以使其热效率达到60%以上。此外，随着热障涂层技术应用的逐步广泛，人们也发现热障涂层技术既可以有效提升设备的耐热性，同时也可以有效提升其硬件设施的耐腐蚀性。因此，通过利用热障涂层技术不仅仅可以有效提升各类设备的工作效率，同时更可以提升其使用年限。

1 航空发动机热障涂层材料的作用

在上文中提到热障涂层材料的主要作用是提升航空发动机的耐热性及散热性等，从而促使航空发动机得以在高温环境下保持较高的性能。然而除此之外，航空发动机热障涂层材料的应用也可以有效提升气冷叶片的工作效率。气冷叶片是航空发动机散热系统中极为重要的组成设备之一，其可以通过高速旋转，从而促进航空发动机内部的空气流通，进而将航空发动机中的高温气体排出。而热障涂层材料在气冷叶片中的应用不仅仅可以有效避免高温气体出现回流的现象，同时更可以提升气冷叶片的耐热性及耐腐蚀性等，进而有效提升其使用寿命。第二，热障涂层材料在航空发动机中的应用也可以有效提升发动机的涡轮进口温度。众所周知，发动机的涡轮进口温度关系到发动机的热效率，因此通过提升航空发动机的涡轮进口温度既可以提升发动机的工作效率，促使其发挥更好的性能，同时其也可以有效降低对航空燃油的损耗。第三，热障涂层材料在航空发动机中的应用也可以延长其中各类零部件的使用寿命。由于热障涂层材料不仅仅具有较强的耐热性，同时还具有一定的耐腐蚀性以及抗氧化性等。因此，通过对其进行应用也可以避免发动机中的零部件出现氧化以及腐蚀等现象，从而提升发动机的使用年限。第四，通过在航空发动机中应用热障涂层材料也可以降低压气机的冷却气流量，从而降低飞机在飞行过程中的耗油量。最后，航空发动机中热障涂层材料的应用也可以对现有冷却通道的设计进行优化与简化。由于热障涂层材料的应用可以降低冷却气流的流量，因此在应用热障涂层材料后便可以适当降低叶片的加工成本，从而对现有的冷却通道进行简化。

2 热障涂层的结构

通常航空发动机中所常用的热障涂层结构大致有以下三种，其分别是双层结构、多层结构以及梯度系统。在以上三种热障涂层结构中最为常见的便是双层结构，双层结构主要由陶瓷涂层以及粘结层所构成。其中陶瓷层可以有效提升航空发动机外层的隔热性，从而使其得以在高温环境下发挥出优异的性能。而粘结层则可以为航空发动机的硬件设备提供更强的耐腐蚀性以及抗氧化性等，从而有效降低航空发动机生锈以及损坏的可能性。同时，与其余两种热障涂层结构相比，双层结构还具有耐热性更强以及施工成本降低等诸多优点。多层结构与双层结构相比其在热障涂层结构中具有多层陶瓷层，并且在每两层陶瓷层之间还具有一些封阻层等。这样的设计虽然导致了施工成本及施工难度的增加，但是其也可以为航空发动机提供更好的隔热性以及耐腐蚀性等，从而更好地保护航空发动机的稳定运行。

3 航空发动机热障涂层体系

3.1 陶瓷表层材料

陶瓷表层材料是航空发动机热障涂层体系中极为重要的一部分，其不仅仅被广泛应用于双层结构中，同时在多层结构以及梯度系统中也具有极为广泛的应用。通过对陶瓷表层材料进行应用不仅仅可以对航空发动机的表层进行一定的保护，同时更可以提升其隔热性。而为了更好地加强航空发动机的抗热性，工程师在选用陶瓷表层材料的过程中不仅仅需要考虑到其陶瓷材料的熔点以及热反射率，同时更需要考虑到陶瓷材料的抗热性、抗氧化性等。这是由于若是陶瓷表层材料无法具备较高的熔点以及热反射率等，那么其在高温环境中极有可能会出现龟裂以及融化等现象。这一现象不仅仅会导致航空发动机直接暴露在高温环境中，同时还会对航空发动机的正常运转造成一定的影响。而陶瓷表层材料的抗腐蚀性以及抗氧化性等也会对热障涂层体系的使用年限以及航空发动机的使用年限等造成极为严重的影响[4]。

3.2 粘结层材料

粘结层材料同样也是热障涂层体系中较为重要的一部分，其通常被用于双层以及多层热障涂层体系中。在上文中提到粘结层材料的主要作用是为航空发动机提供较高的抗氧化性以及抗腐蚀性等，从而延长航空发动机的使用寿命。此外，粘结层材料的使用也可以有效避免陶瓷层材料与航空发动机表层金属出现不适配的现象。正是由于粘结层材料具有以上几种作用，因此工程师在选用粘结层材料时不仅仅需要考虑到其在常温环境下的抗氧化性以及耐腐蚀性等，同时更需要考虑到粘结层材料在高温环境以及多种温度环境中的抗腐蚀性等。并且，由于粘结层还担负着连接陶瓷层以及金属基体的重要作用，因此其相关材料所具有的抗热性以及稳固性等也十分重要。

4 热障涂层失效模式研究

虽然热障涂层材料在航空发动机中的应用可以有效提升航空发动机表层金属的隔热性以及抗腐蚀性、抗氧化性等，从而进一步延长航空发动机的使用年限。但热障涂层材料在某些特定的环境中也会出现失效的现象。据相关数据显示，常用的双层热障涂层在1100℃以及30min加热环境、5min的空气冷却中将会出现一定程度的龟裂现象。并且，随着时间的延长，热障涂层中所出现的破损点也在逐步增加。导致这一现象的主要原因便是由于在高温环境中陶瓷涂层以及粘结涂层中间出现了一定的组织应力与结构应力，其导致热障涂层出现了大量的皱纹，进而使得其表层出现了大量的裂缝。同时，粘结层由于受到高温影响所产生的快速养护也会导致热障涂层产生龟裂以及破损等，从而导致热障涂层的失效[5]。

5 结语

综上所述，飞机中航空发动机的长时间运行不仅仅会导致其性能释放受到一定的阻碍，同时更会降低航空发动机的使用寿命。而为了解决这一问题，工程师首要解决的是航空发动机温度过高这一问题。在面对这一问题时，工程师不仅仅需要加强航空发动机的散热，同时更需要提升发动机的耐热性，而这需要使用热障涂层技术。当前最为常见的热障涂层技术便是陶瓷层热障涂层技术，其不仅仅可以有效加强发动机的隔热性，同时更具有较低的成本。然而，陶瓷涂层在使用过程中也会出现与某些基体不适配的现象。这时便需要使用粘结层材料的热障涂层。通过利用这一涂层不仅仅可以有效缓解陶瓷涂层所出现的不适配问题，同时更可以加强航空发动机的抗氧化性，从而有效提升航空发动机的使用年限。虽然热障涂层技术的使用可以有效提升发动机的抗热性及散热性等，但其在某些特定环境中也会出现失效的现象。因此，工程师仍应加强对热障涂层材料体系的研究，相信在不久的将来我国将会出现更加优异的热障涂层材料。