航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料體系的研究

唐治虎

（中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

熱障涂層是一種常用的設(shè)備隔熱技術(shù)，通過(guò)對(duì)設(shè)備表面涂抹熱障涂層可以有效降低設(shè)備的運(yùn)行溫度，同時(shí)使其具有更強(qiáng)的耐熱性。而在熱障涂層中最常使用的便是陶瓷涂層，這不僅僅是由于陶瓷具有較好的隔熱性能，同時(shí)也是由陶瓷涂層的成本更低所決定的。通過(guò)在設(shè)備表面添加陶瓷涂層既可以使其得以在高溫環(huán)境中運(yùn)行，甚至還可以使其熱效率達(dá)到60%以上。此外，隨著熱障涂層技術(shù)應(yīng)用的逐步廣泛，人們也發(fā)現(xiàn)熱障涂層技術(shù)既可以有效提升設(shè)備的耐熱性，同時(shí)也可以有效提升其硬件設(shè)施的耐腐蝕性。因此，通過(guò)利用熱障涂層技術(shù)不僅僅可以有效提升各類設(shè)備的工作效率，同時(shí)更可以提升其使用年限。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料的作用

在上文中提到熱障涂層材料的主要作用是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱性及散熱性等，從而促使航空發(fā)動(dòng)機(jī)得以在高溫環(huán)境下保持較高的性能。然而除此之外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料的應(yīng)用也可以有效提升氣冷葉片的工作效率。氣冷葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)中極為重要的組成設(shè)備之一，其可以通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)，從而促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的空氣流通，進(jìn)而將航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫氣體排出。而熱障涂層材料在氣冷葉片中的應(yīng)用不僅僅可以有效避免高溫氣體出現(xiàn)回流的現(xiàn)象，同時(shí)更可以提升氣冷葉片的耐熱性及耐腐蝕性等，進(jìn)而有效提升其使用壽命。第二，熱障涂層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度。眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，因此通過(guò)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度既可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，促使其發(fā)揮更好的性能，同時(shí)其也可以有效降低對(duì)航空燃油的損耗。第三，熱障涂層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也可以延長(zhǎng)其中各類零部件的使用壽命。由于熱障涂層材料不僅僅具有較強(qiáng)的耐熱性，同時(shí)還具有一定的耐腐蝕性以及抗氧化性等。因此，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用也可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)中的零部件出現(xiàn)氧化以及腐蝕等現(xiàn)象，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限。第四，通過(guò)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用熱障涂層材料也可以降低壓氣機(jī)的冷卻氣流量，從而降低飛機(jī)在飛行過(guò)程中的耗油量。最后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱障涂層材料的應(yīng)用也可以對(duì)現(xiàn)有冷卻通道的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化與簡(jiǎn)化。由于熱障涂層材料的應(yīng)用可以降低冷卻氣流的流量，因此在應(yīng)用熱障涂層材料后便可以適當(dāng)降低葉片的加工成本，從而對(duì)現(xiàn)有的冷卻通道進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2 熱障涂層的結(jié)構(gòu)

通常航空發(fā)動(dòng)機(jī)中所常用的熱障涂層結(jié)構(gòu)大致有以下三種，其分別是雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)以及梯度系統(tǒng)。在以上三種熱障涂層結(jié)構(gòu)中最為常見(jiàn)的便是雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)主要由陶瓷涂層以及粘結(jié)層所構(gòu)成。其中陶瓷層可以有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)外層的隔熱性，從而使其得以在高溫環(huán)境下發(fā)揮出優(yōu)異的性能。而粘結(jié)層則可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)備提供更強(qiáng)的耐腐蝕性以及抗氧化性等，從而有效降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)生銹以及損壞的可能性。同時(shí)，與其余兩種熱障涂層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)還具有耐熱性更強(qiáng)以及施工成本降低等諸多優(yōu)點(diǎn)。多層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu)相比其在熱障涂層結(jié)構(gòu)中具有多層陶瓷層，并且在每?jī)蓪犹沾蓪又g還具有一些封阻層等。這樣的設(shè)計(jì)雖然導(dǎo)致了施工成本及施工難度的增加，但是其也可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供更好的隔熱性以及耐腐蝕性等，從而更好地保護(hù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層體系

3.1 陶瓷表層材料

陶瓷表層材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層體系中極為重要的一部分，其不僅僅被廣泛應(yīng)用于雙層結(jié)構(gòu)中，同時(shí)在多層結(jié)構(gòu)以及梯度系統(tǒng)中也具有極為廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)陶瓷表層材料進(jìn)行應(yīng)用不僅僅可以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的表層進(jìn)行一定的保護(hù)，同時(shí)更可以提升其隔熱性。而為了更好地加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的抗熱性，工程師在選用陶瓷表層材料的過(guò)程中不僅僅需要考慮到其陶瓷材料的熔點(diǎn)以及熱反射率，同時(shí)更需要考慮到陶瓷材料的抗熱性、抗氧化性等。這是由于若是陶瓷表層材料無(wú)法具備較高的熔點(diǎn)以及熱反射率等，那么其在高溫環(huán)境中極有可能會(huì)出現(xiàn)龜裂以及融化等現(xiàn)象。這一現(xiàn)象不僅僅會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接暴露在高溫環(huán)境中，同時(shí)還會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成一定的影響。而陶瓷表層材料的抗腐蝕性以及抗氧化性等也會(huì)對(duì)熱障涂層體系的使用年限以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限等造成極為嚴(yán)重的影響[4]。

3.2 粘結(jié)層材料

粘結(jié)層材料同樣也是熱障涂層體系中較為重要的一部分，其通常被用于雙層以及多層熱障涂層體系中。在上文中提到粘結(jié)層材料的主要作用是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供較高的抗氧化性以及抗腐蝕性等，從而延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。此外，粘結(jié)層材料的使用也可以有效避免陶瓷層材料與航空發(fā)動(dòng)機(jī)表層金屬出現(xiàn)不適配的現(xiàn)象。正是由于粘結(jié)層材料具有以上幾種作用，因此工程師在選用粘結(jié)層材料時(shí)不僅僅需要考慮到其在常溫環(huán)境下的抗氧化性以及耐腐蝕性等，同時(shí)更需要考慮到粘結(jié)層材料在高溫環(huán)境以及多種溫度環(huán)境中的抗腐蝕性等。并且，由于粘結(jié)層還擔(dān)負(fù)著連接陶瓷層以及金屬基體的重要作用，因此其相關(guān)材料所具有的抗熱性以及穩(wěn)固性等也十分重要。

4 熱障涂層失效模式研究

雖然熱障涂層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用可以有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)表層金屬的隔熱性以及抗腐蝕性、抗氧化性等，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限。但熱障涂層材料在某些特定的環(huán)境中也會(huì)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，常用的雙層熱障涂層在1100℃以及30min加熱環(huán)境、5min的空氣冷卻中將會(huì)出現(xiàn)一定程度的龜裂現(xiàn)象。并且，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熱障涂層中所出現(xiàn)的破損點(diǎn)也在逐步增加。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因便是由于在高溫環(huán)境中陶瓷涂層以及粘結(jié)涂層中間出現(xiàn)了一定的組織應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其導(dǎo)致熱障涂層出現(xiàn)了大量的皺紋，進(jìn)而使得其表層出現(xiàn)了大量的裂縫。同時(shí)，粘結(jié)層由于受到高溫影響所產(chǎn)生的快速養(yǎng)護(hù)也會(huì)導(dǎo)致熱障涂層產(chǎn)生龜裂以及破損等，從而導(dǎo)致熱障涂層的失效[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，飛機(jī)中航空發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不僅僅會(huì)導(dǎo)致其性能釋放受到一定的阻礙，同時(shí)更會(huì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。而為了解決這一問(wèn)題，工程師首要解決的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高這一問(wèn)題。在面對(duì)這一問(wèn)題時(shí)，工程師不僅僅需要加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，同時(shí)更需要提升發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱性，而這需要使用熱障涂層技術(shù)。當(dāng)前最為常見(jiàn)的熱障涂層技術(shù)便是陶瓷層熱障涂層技術(shù)，其不僅僅可以有效加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱性，同時(shí)更具有較低的成本。然而，陶瓷涂層在使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)與某些基體不適配的現(xiàn)象。這時(shí)便需要使用粘結(jié)層材料的熱障涂層。通過(guò)利用這一涂層不僅僅可以有效緩解陶瓷涂層所出現(xiàn)的不適配問(wèn)題，同時(shí)更可以加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的抗氧化性，從而有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限。雖然熱障涂層技術(shù)的使用可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的抗熱性及散熱性等，但其在某些特定環(huán)境中也會(huì)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。因此，工程師仍應(yīng)加強(qiáng)對(duì)熱障涂層材料體系的研究，相信在不久的將來(lái)我國(guó)將會(huì)出現(xiàn)更加優(yōu)異的熱障涂層材料。