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航空發動機高溫葉片的涂層技術

文章發布于:2018-05-23 作者:興弘新材料 瀏覽次數:

一、概述

現在的航空發動機越造越先進、效率越來越高、推重比也有的到了20左右。發動機工作起來要產生足夠大的推力,就需要燃燒室中的油氣高效燃燒,產生高溫高壓膨脹氣體再驅動渦輪高效做功。同時發動機的設計渦輪進口溫度相應不斷提高,高達1500-2000℃以上。高溫燃氣從燃燒室進入渦輪部分,雖然溫度稍有下降,卻也能使渦輪部分的轉/靜子葉片等熱端零部件表面溫度達到1200℃以上。

為增加發動機的可靠性,節約維修成本,試想什么樣的渦輪葉片材料能在1200℃以上的高溫下長時間持續工作后(約20000小時),才需拆卸修理或更換呢?就目前的材料技術來說,還沒有什么材料能在這樣的高溫下滿足渦輪葉片復雜的工況需求。因為渦輪葉片載荷不是耐燒就夠了,它還要承受巨大的離心力、氣動力、腐蝕、疲勞應力等等我們常人想不到的那些載荷。最先進的鎳基高溫合金單晶體材料(nickel based single crystal materials)也只能承受1150℃的使用溫度,而且差不多是其使用溫度的極限值啦。

你可能要問了,不是有先進的氣膜冷卻技術嗎?可你要知道,采用氣膜冷卻技術最大可使工件表面溫度降低僅300℃左右而已。對大多數航空發動機來說,就算使用氣膜冷卻技術,鎳基高溫合金單晶體材料的渦輪葉片還是不能較長時間承受如此高的工作溫度。

單獨使用高溫結構材料技術已不能滿足先進航空發動機迅速發展的迫切要求,那怎么辦呢?聰明的大師們想到了一個好辦法,給渦輪葉片穿件耐燒的外衣。那就是在葉片的表層施加涂層來單獨分擔葉片的高溫載荷。而采用熱障涂層技術(TBC-Thermal Barrier Coatings)是目前大幅度提高航空發動機工作溫度的唯一切實可行的方法。在美國、歐洲以及我國的航空發動機推進計劃中均把熱障涂層技術( TBC)列為與高溫結構材料、高效葉片冷卻技術并重的高性能航空發動機高壓渦輪葉片技術的三大關鍵技術。

二、渦輪葉片的涂層技術

為了滿足渦輪前溫度不斷提高的需求,發動機渦輪葉片的基體材料也一直在不斷地改變,從多晶材料到定向凝固鑄件,再到單晶材料。可只有渦輪葉片涂層技術對解決耐高溫的問題具有明顯的貢獻。

TBC熱障涂層是將耐高溫、抗腐蝕、高隔熱的陶瓷材料涂覆在基體合金表面,以提高基體合金抗高溫氧化腐蝕能力、降低合金表面工作溫度的一種熱防護技術。大多數的TBC熱障涂層是雙層結構形式的。表層為陶瓷隔熱層,主要作用是隔熱、抗腐蝕、沖刷和侵蝕。底層為金屬粘結層,起著改善基體與陶瓷涂層物理相容性和抗高溫氧化腐蝕的作用。

1、涂層材料

TBC熱障涂層主要是由一種叫氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ-Yttria Stabilized Zirconia)物質組成。 這種YSZ物質具有很高的熔點( 2700 ℃)和很低的熱傳導系數(根據生產工藝不同,塊體材料的熱傳導系數略有差異,一般約為2~3W·mK ),其熱膨脹系數(9~11)×10- 6 K與高溫合金匹配。YSZ還具有高的斷裂韌性(6~9 MPa·m )和其它優良的機械性能。由于其優異的綜合性能,YSZ是目前航空發動機渦輪葉片TBC熱障涂層普遍采用的陶瓷層材料。

YSZ在工作溫度低于1200 ℃的情況下性質很穩,可以使渦輪葉片使用時間大大延長。可當YSZ的工作溫度高于1200 ℃時,由于相變將導致YSZ體積膨脹,同時由于燒結,引起涂層致密化,將導致涂層的容應變能力下降而熱應力增大,加速涂層剝落失效。由于致密化和孔隙率降低,涂層的隔熱能力也顯著下降。因此,在日常的維護孔探檢查中,如果發現有涂層剝落失效情況,就要加強跟蹤重復檢查,防止涂層短期內快速脫落失效導致渦輪葉片基體材料的燒毀。

前面說了,在YSZ陶瓷層和葉片基體材料之間還有一層金屬粘結層。該粘結層提高了基體的抗高溫氧化腐蝕性能,緩解了YSZ陶瓷層與合金基體間的熱不匹配。鎳鈷鉻鋁釔合金NiCoCrAlY是目前熱障涂層普遍采用的一種粘結層材料。合金組元中的Ni和Co是粘結層的基體元素,Ni基合金具有優良的緩和熱應力的能力,而Co基具有優良的抗氧化和腐蝕性能,Ni+ Co的組合則使涂層兼具這些特性;組元中Cr用于保證涂層的抗熱腐蝕性,還可以促進氧化鋁AlO的生成;Al用來保證涂層的抗氧化性,高Al含量可以提高涂層的抗氧化性能,然而Al的存在卻同時使涂層的韌性降低;Y加入( 約1% )起到了氧化物釘扎和細化晶粒的作用,從而提高氧化膜的粘附力,改善涂層的抗熱震性能。其合金組元可以根據使用情況的不同進行調整。在高溫下,粘結層中的Al向外擴散,并發生選擇性氧化,形成致密的氧化鋁AlO保護膜,阻止底層的進一步氧化,進而達到保護基體的目的。

由于粘結層成分對氧化層的生長速度、成分、完整性以及與基體的結合力等因素有決定作用,而這些因素直接影響著熱障涂層的壽命, 因此,粘結層成分的優化和選擇對于提高熱障涂層的壽命非常關鍵。由于粘結層的抗氧化和熱腐蝕的綜合性能較好, 因此, 目前航空發動機葉片熱障涂層大多采用這種合金體系。

除了鎳鈷鉻鋁釔合金NiCoCrAlY外,擴散鋁(Aluminide diffusion coatings)和白金鋁化物(PtAl- Platinum Aluminides )也是很好的抗氧化、抗腐蝕涂層材料,常見于部分型號的發動機葉片上。擴散鋁涂層(Aluminide)是介于鋁和葉片基體材料間的金屬化合物。通過在容器中加熱葉片和鋁材到760℃-1100℃,使鋁擴散滲透到葉片的表面,形成擴散鋁涂層。白金鋁化涂層(PtAl )是先把白金電鍍上零件表面,然后加熱使其擴散到基體表面,最后在進行滲鋁處理后形成。因為加入了白金成分,性能要比擴散鋁涂層好得多。

2、工藝類型

通常TBC陶瓷涂層YSZ和NiCoCrAlY金屬粘接層都可以通過大氣等離子噴涂Atmospheric Plasma Spray(APS)和電子束物理氣相沉積Electron Beam Physical Vapour Deposition (EB PVD)的方法實現。NiCoCrAlY金屬粘接層也可以通過真空等離子噴涂Vacuum Plasma Spray (VPS)來完成。

大氣等離子噴涂APS在噴涂過程中會產生部分氧化物,使得涂層質地不夠緊密。一般還需要進行滲鋁處理,以增強其抗腐蝕、抗氧化的能力。而真空等離子噴涂VPS就恰好彌補了APS的缺點,噴涂過程中極少產生氧化物,獲得質地緊密的涂層。當然,VPS的成本肯定就要比APS高一些。成本最高的是電子束物理氣相沉積EB PVD方法,因為至少使用的設備就很貴。EB PVD獲得的涂層是最干凈、最質密,具有特別好的綜合特性。

因此,根據零部件不同工況環境的要求,以及對成本的考慮,可以采用不同的工藝過程進行組合,合理獲得表面涂層和底層涂層。如下表所示:

序號 工藝組合 特點
1 VPS MCrAlY + APS TBC - 多用于渦輪進口導向葉片的內外平臺platform;- 質地松,通常還需要進行滲鋁處理;- 成本低。
2 APS MCrAlY + APS TBC - 用于葉身涂層;- 質地松,通常還需要進行滲鋁處理;- 成本較低。
3 Aluminide + EB PVD TBC - 性能好- 成本高
4 PtAl + EB PVD TBC - 性能較好- 成本較高
5 EB PVD MCrAlY + EB PVD TBC - 性能最好- 成本最高
三、維修過程中對涂層的考慮

在發動機的日常使用和維修工作中,需要根據既定的維修方案對發動機渦輪部分葉片進行航線孔探檢查或車間分解檢查,根據檢查結果視情修理。

一般航線孔探檢查都是按照飛機維護手冊的相關檢查標準執行。總體上來說對葉片涂層的檢查要求都差不多,具體的缺陷標準量級略有差異。對涂層缺陷的檢查需要一定的經驗判斷,孔探經驗豐富的工作人員對葉片涂層燒蝕、剝落現象的判斷相對容易些。通常TBC涂層部分剝落或丟失是可接受的,不需要立即采取修復措施。有剝落區域的涂層有可能加速燒蝕并進一步剝落,因此要加強后續檢查。如果TBC涂層剝落可見葉片的基體材料,則應盡快拆下葉片修理,否則葉片的基體材料很快就會被快速氧化、燒裂等燒蝕失效,影響發動機維修成本和使用安全。僅僅TBC涂層的剝落,顏色差異不會特別明顯,略帶灰色,能明顯辨別涂層脫落的層斷面。如果涂層完全脫落,可見葉片黑色的基體材料,顏色差異較大,有時還伴有基體金屬燒蝕狀、裂紋等現象。在發動機大修車間分解后,葉片涂層缺陷的檢查就相對容易多了,可以直接觀察到具體的剝落、燒蝕表象。

葉片在修理過程中首先需要去除TBC涂層和粘結層,經過一系列修理工藝,缺陷修復后再重新噴涂TBC涂層。譬如葉片基體金屬產生了裂紋、磨損,則要進行

- 清洗

- 檢查

- 吹砂或高壓水注去除TBC涂層

- 化學去除粘結層

- 清潔裂紋或缺陷的氧化物

- 釬焊裂紋、堆焊葉尖磨損

- 型面恢復

- 重新打穿受影響的冷卻孔

- 施加粘結層并進行滲鋁處理

- 施加TBC涂層

- 熱處理

- 表面處理

- 修理后檢查。

需要注意的是,在去除涂層時,與粘接層相接的基體金屬材料也被一同去除,減少了葉片基體材料的厚度,因此,葉片的修理次數或涂層的去除次數就受到限制。有的生產廠家會在相應的維修手冊中明確限制葉片相關修理的次數。如果生產廠家手冊沒有給出修理次數限制的,發動機使用維護人可自行考慮對葉片相關修理次數進行控制,以提高發動機修理后的可靠性。

作為部分發動機機型的OEM主要參與者,德國MTU發動機集團公司也具有施加擴散鋁/滲鋁涂層、鉑金鋁PtAl涂層及所有等離子噴涂的能力。從2001年開始MTU與法國斯奈克瑪Snecma在夏岱勒羅Chatellerault的50/50合資公司就已經完全能夠進行EBPVD的TBC熱障涂層生產能力了。

TBC涂層是航空發動機必不可少的關鍵技術,同時對在研、在役的軍機、民機具有同樣重要的意義。有資料表明,一級渦輪葉片表面涂覆TBC涂層后,可使冷卻空氣流量減少50%,油耗減少1% ~2%, 葉片壽命提高數倍。開展新型耐高溫、高隔熱和長壽命的熱障涂層的研究是航空發動機迅速發展提出的持續性要求。另外,TBC涂層在艦船、汽車、能源等領域的熱端部件上也有廣泛的應用前景。近數十年來,國內外科學家針對TBC涂層材料、涂層制備、性能表征及壽命預測等方面展開了廣泛而深入的研究,研究領域涉及材料、物理、化學、力學、計算學、熱學等多門學科的交叉,取得了驕人的成績。

參考文獻:

1、Conventional and advanced coatings for turbine airfoils,R. Stolle,MTU Aero Engines

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