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航空航天涂層

航天動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)零部件噴涂

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航天動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)零部件噴涂

噴航天發(fā)動(dòng)機(jī)零件生產(chǎn)線.等離子設(shè)備—---航天動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)零件

Professional production line for state-owned enterprises and foreign spraying (export-oriented)

適合于國企和外資噴涂專業(yè)生產(chǎn)線（出口型）

高溫可磨耗封嚴(yán)涂層等離子噴涂技術(shù)在高溫可磨耗封嚴(yán)涂層作為發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重要涂層之一，用來調(diào)控高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件與機(jī)匣之間的間隙，對保持發(fā)動(dòng)機(jī)的效率十分關(guān)鍵。中航工業(yè)制造所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的添加陶瓷減摩自潤滑材料及聚苯酯的高溫可磨耗封嚴(yán)涂層，涂層摩擦系數(shù)低，可磨耗性能優(yōu)異，同時(shí)抗高溫氧化性能及燃?xì)鉀_刷性能優(yōu)良。高溫可磨耗封嚴(yán)涂層厚度一般超過1.5mm，必須采用機(jī)器人自動(dòng)等離子噴涂技術(shù)，噴涂參數(shù)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制、涂層厚度在線監(jiān)測，這樣有利于涂層組織結(jié)構(gòu)及厚度均勻，穩(wěn)定涂層冶金質(zhì)量。

熱障涂層等離子噴涂技術(shù)

熱障涂層廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件，如燃燒室、渦輪葉片、火焰噴管等（見圖2），可大幅度提高部件壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低部件溫度或提高燃?xì)鉁囟取?/p>

熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積法。熱沖擊壽命和熱導(dǎo)率為熱障涂層的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。沒有優(yōu)異的抗熱沖擊性能，熱障涂層就不能在可靠性要求極高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得成功應(yīng)用。把涂層壽命做到數(shù)千、數(shù)萬小時(shí)是熱噴涂涂層成功應(yīng)用于商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵所在。

由于氧化釔穩(wěn)定氧化鋯在1200℃以上工作、在隨后的冷卻過程中相變，相變過程中材料體積將膨脹約4%，這種體積效應(yīng)使涂層產(chǎn)生裂紋甚至剝落。國內(nèi)外學(xué)者對兩種或兩種以上稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯的多元體系進(jìn)行了較多研究，取得了明顯進(jìn)展，美國科學(xué)家開發(fā)的氧化釓、氧化鐿、氧化釔三元稀土復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯工作溫度可達(dá)1500℃，并已商品化。

制造所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的多元稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯超高溫?zé)嵴贤繉樱魺嵝阅芗翱篃釠_擊性能優(yōu)異，1500℃長期工作、在隨后的冷卻過程中也沒有有害的相變發(fā)生，使用溫度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

熱噴涂技術(shù)發(fā)展趨勢熱噴涂技術(shù)經(jīng)過100余年的發(fā)展，技術(shù)日益成熟，用途涉及航空航天、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、汽車、電力、燃料電池與太陽能、醫(yī)療衛(wèi)生、造紙與印刷等諸多領(lǐng)域。

要實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)鉁囟?，這必然造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的大幅度提高。碳化物、氮化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代鎳基高溫合金作為在更高溫度下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料，制約其應(yīng)用的重要因素是其在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)猸h(huán)境中的材料組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，碳化物、氮化物陶瓷能夠和水蒸汽等反應(yīng)生成揮發(fā)性的產(chǎn)物造成陶瓷材料結(jié)構(gòu)及性能嚴(yán)重退化。在陶瓷表面采用氣相沉積與等離子噴涂復(fù)合技術(shù)制備環(huán)境障涂層，可以有效阻止高溫燃?xì)鈿夥蘸吞沾苫w的接觸，提高陶瓷基體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在某些重要應(yīng)用領(lǐng)域需要高的涂層結(jié)合強(qiáng)度，甚至需要涂層與零件基體間冶金結(jié)合。為克服熱噴涂涂層界面機(jī)械結(jié)合的不足，激光等離子復(fù)合噴涂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生（見圖3）。激光等離子復(fù)合噴涂涂層界面為冶金結(jié)合，涂層結(jié)構(gòu)致密均勻，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)刷式封嚴(yán)跑道的制造。目前要解決的主要問題：一是控制熱輸入，避免涂層成分過度稀釋及材料組分的分解；二是降低應(yīng)力，避免涂層中出現(xiàn)裂紋。

航空、航天工業(yè)中的應(yīng)用

熱噴涂技術(shù)在航空、航天工業(yè)中應(yīng)用歷史久，范圍廣，涂層品種多，而且技術(shù)含量高。盡管航空、航天中飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、宇宙火箭等工作條件十分惡劣，對涂層可靠性要求非?？量?，但當(dāng)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中一半以上的零件都有涂層，主要用耐磨、耐腐蝕、抗氧化、封嚴(yán)。下表給出熱噴涂技術(shù)在航空航天中的部分應(yīng)用。

熱噴涂航空航天中的應(yīng)用

領(lǐng)域零部件噴涂工藝涂層材料涂層用途

火箭技術(shù) 火箭頭部和噴管等離子噴涂 A1 2 O 3， ZrO 2 ，W 耐熱、抗沖蝕

宇宙飛行器噴氣推進(jìn)彈體整流罩宇宙研究裝置超短波天線等離子噴涂等離子噴涂等離子噴涂 ZrO 2， A1 2 O 3 A1 2 O 3， ZrO 2， W金屬，氧化物及碳化

物絕熱防粘連、絕熱、熱輻射性能絕熱、絕緣

航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)蝸輪及壓氣機(jī) 葉片燃?xì)馕佪喨~片燃燒室內(nèi)襯起落花流水架軸頸機(jī)翼及機(jī)身承力結(jié)構(gòu) 前整流艙機(jī)匣等離子噴涂等離子,HVOF 等離子噴涂等離子噴涂等離子,HVOF 等離子噴涂等離子噴涂等離子噴涂 Co-WC，TiC，Cr 203 Ni-A1，NiCrBSi Ni-A1，A1，A1 2O3 CoCrA1Y，MgO.ZrO 2 硬質(zhì)碳化物及其合金纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,聚苯酯、硅鋁鎳包石墨、鎳包硅藻土耐沖蝕耐熱耐熱耐熱耐磨強(qiáng)度、剛度滑動(dòng)、封嚴(yán) 耐磨、潤滑可磨、封嚴(yán)

對于發(fā)動(dòng)機(jī)的絕熱涂層，過去一般采用穩(wěn)定型的zro 2, 面層材料和CONICRALY高溫粘結(jié)底層材料，通過等離子噴涂，制備兩層或數(shù)層階梯結(jié)構(gòu)涂層。自20世紀(jì)80年代末至90年代初，由于新的涂層技術(shù)---電子束物理氣相沉積技術(shù)的開發(fā)成功，制備的熱障涂層為柱狀晶結(jié)構(gòu)，與粘結(jié)底層結(jié)合牢固，涂層表面光潔，使用壽命高于等離子噴涂層一個(gè)數(shù)量級。關(guān)于熱障涂層的粘結(jié)底層加陶瓷涂層結(jié)構(gòu)，我國目前主要采用二層涂層結(jié)構(gòu)，并已應(yīng)用在新型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，加力燃燒室等熱部件上。目前對熱障涂層的改進(jìn)主要從多層或梯度功能涂層的設(shè)計(jì)，粘結(jié)底層的預(yù)氧化處理，熱障陶瓷面層的滲鋁處理，陶瓷面層激光改性處理等方面研究和發(fā)展。

發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層隨著熱端高溫氣流溫度的逐級提高，使用溫度從300℃到1100℃，目前最高溫度可達(dá)1350℃。A1Si-聚苯酯，鎳-石墨，鎳-硅藻土等復(fù)合粉末涂層，已獲得成功應(yīng)用。其中，尤以高溫封嚴(yán)涂層制備和工作條件最困難。要求其厚度達(dá)2-3mm，噴涂時(shí)必須嚴(yán)格控制涂層應(yīng)力的產(chǎn)生。另外，要承受1000-1350℃高溫，遭受2-3倍音速的高溫氣流沖刷，受到超過300m/s線速度葉片尖部刮削而不發(fā)生剝落。故涂層必須耐高溫、抗氧化、耐熱震、結(jié)合強(qiáng)度高，化學(xué)惰性，而且質(zhì)軟，多孔（孔隙率達(dá)25%-30%）。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)某些零部件的磨損總是也是十發(fā)嚴(yán)重的，在服役期間，有的發(fā)動(dòng)機(jī)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速5000r/min；并在極高負(fù)載和各種頻率的振動(dòng)下工作，從而產(chǎn)生各種機(jī)理的磨損，這些磨損僅靠改變基體材料是達(dá)不到要求的。據(jù)英國RR公司統(tǒng)計(jì)，1976年前發(fā)動(dòng)機(jī)零部件60%因磨損而報(bào)廢，采用耐磨涂層后報(bào)廢率降到30%，目前采用爆炸噴涂和HVOF噴涂涂層已有50多種在航空產(chǎn)品零件上獲得應(yīng)用，如高低壓壓氣機(jī)葉片、蝸輪葉片、輪轂封嚴(yán)槽、齒輪軸、火焰筒外壁、襯套、副翼滑軌、制動(dòng)裝置等。目前國內(nèi)開發(fā)的某新機(jī)種上，規(guī)定采用十幾種熱噴涂層（主要是耐磨涂層）數(shù)百個(gè)零件，其中四種最關(guān)鍵的耐磨涂層必要采用結(jié)合強(qiáng)度好、涂層致密度高的爆炸噴涂和HVOF噴涂工藝制備。下表為爆炸噴涂在國內(nèi)航空方面的應(yīng)用。

爆炸噴涂在國內(nèi)航空方面的應(yīng)用

零件名稱涂層種類應(yīng)用特性效果

發(fā)動(dòng)機(jī)蝸輪軸 NiCrBSi-Ni-A1 磨損報(bào)廢，重新使用

蝸輪葉片葉冠 X-40 磨損超差，重新使用

發(fā)動(dòng)機(jī)燃油導(dǎo)管 NiCrSi 耐磨、延長使用壽命

壓氣機(jī)葉片阻尼臺 Co-WC 耐微振磨損

三叉戟發(fā)電機(jī)軸 Co-WC 耐磨一年以上

三叉戟襟翼滑軌 Ni 3 A1-WC 磨損、噴涂后使用

三叉戟前輪軸、套筒 Co-WC 磨損、噴涂后使用

噴涂產(chǎn)品要求產(chǎn)量化多維機(jī)械手. 自動(dòng)噴涂系統(tǒng)配置設(shè)備-----

.噴涂產(chǎn)品要求產(chǎn)量化復(fù)雜多槍. 自動(dòng)噴涂系統(tǒng)配置設(shè)備—

其它：

活動(dòng)機(jī)械手生產(chǎn)線

1.圖片

航天、航空、國防	航空發(fā)動(dòng)機(jī)
	運(yùn)載火箭
	坦克
	武器裝備

航空發(fā)動(dòng)機(jī)

2.應(yīng)用范圍

防腐蝕超厚涂層在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

多年來，典型的PVD涂層都是非常薄的超硬耐磨膜層，多數(shù)應(yīng)用在刀具上，如鉆頭、銑刀、鉸刀、刀片和滾刀等，也應(yīng)用在各種模具上。這種應(yīng)用的典型膜層厚度在1~5μm左右，當(dāng)然也有特殊應(yīng)用的膜層厚度接近10μm左右。然而，在汽車制造業(yè)和航空航天領(lǐng)域上的特殊應(yīng)用膜層已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過5μm。試驗(yàn)已經(jīng)證明在這些領(lǐng)域里的特殊應(yīng)用膜層越厚，耐磨性能和抗腐蝕性能更好。目前，有這種需要的超厚膜層可達(dá)到10~50μm左右，有些膜層甚至更厚。

目前，80%的PVD超硬膜層都是通過電弧蒸發(fā)技術(shù)沉積形成的。通過電弧蒸發(fā)形成的涂層有很多卓越的優(yōu)點(diǎn)，如性價(jià)比高、質(zhì)量非常好；從材料和能源成本考慮，這種技術(shù)是投資最低、最有競爭力的涂層。另外，由于在真空狀態(tài)下電弧蒸發(fā)而形成的高度離子化，這種技術(shù)還可以獲結(jié)合力最好和最致密的膜層。

在過去的10年里，Al基超硬涂層占據(jù)著特別重要的位置。如今，大部涂層廠家均可提供各種鋁含量的涂層。另外，Cr基涂層也越來越多地被應(yīng)用。所有這些涂層都是復(fù)合涂層。特別是復(fù)合涂層可以大大減少膜層的內(nèi)張力，以及降低膜層表面液滴尺寸。另外，這些膜層大部分都是納米結(jié)構(gòu)膜層，每個(gè)單層膜層只有20~50nm的厚度。

今天，這種結(jié)構(gòu)的膜層已經(jīng)成為最先進(jìn)的保護(hù)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的涂層，例如渦輪葉片的耐磨損和防腐蝕涂層。這種以Ti和TiN為基礎(chǔ)的軟硬交替的超厚膜層是第一代防腐蝕膜層，可以為渦輪葉片提高2~3倍的使用壽命。目前這些涂層被廣泛應(yīng)用在非常惡劣的環(huán)境中，例如在沙漠中的直升飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是也越來越多地應(yīng)用在商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。

在航空工業(yè)中的特殊耐磨和防腐蝕應(yīng)用中，均需要超厚的PVD涂層。圖中為是TiN涂層的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片（整體集成葉片），膜層厚度為20μm。在沉積過程中，工藝溫度是影響葉片疲勞壽命的最具決定性的參數(shù)之一。目前這種TiN結(jié)構(gòu)的超厚涂層已經(jīng)成為最先進(jìn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片涂層。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，Al基加厚涂層已經(jīng)成為第二代更優(yōu)秀的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片涂層。

綜上所述，在所有的PVD涂層工藝中，電弧沉積涂層技術(shù)已成為用于工業(yè)化生產(chǎn)的最經(jīng)濟(jì)耐磨、防腐蝕涂層。今天，世界上80%的PVD超硬涂層都是采用電弧沉積技術(shù)得到的，事實(shí)也證明了PVD超厚涂層是可以以最經(jīng)濟(jì)的方式達(dá)到10~50μm左右。

航空航天和工業(yè)燃其輪機(jī) （超過75%的發(fā)動(dòng)機(jī)部件需要噴涂）

應(yīng)用： 典型材料

1.渦輪軸類 ZrO₂-Y₂O₃

2.支撐軸承 可磨耗

3.覆板 MCrAlYS

4.密封圈 Cr C-NiCr/WC-Co

5.熱障 Ni Al / Ni Cr Al

6.活塞環(huán) CuNiln

優(yōu)勢：

1.抗熱沖擊

2.滑動(dòng)磨損防護(hù)

3.高溫防腐及抗氧化

4.高結(jié)合強(qiáng)度

5.抗微振

益處：

1.增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能

2.改進(jìn)燃料燃燒

3.降低發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本

4.延長檢查周期

5.提高安全指數(shù)

3.功能涂層

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1.圖片

航空發(fā)動(dòng)機(jī)座葉輪

2.應(yīng)用范圍

航天、航空、國防	航空發(fā)動(dòng)機(jī)
	運(yùn)載火箭
	坦克
	武器裝備

航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層存在的問題及其發(fā)展方向

一、熱障涂層應(yīng)用現(xiàn)狀

要想使航空發(fā)動(dòng)機(jī)獲得更大的推重比，就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前的進(jìn)口溫度，因此對航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應(yīng)提高。在基體合金表面涂覆熱障涂層（ Thermal Barrier Coating，TBC）是有效提升其抗高溫能力的途徑之一。目前在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得實(shí)際應(yīng)用的熱障涂層均為雙層結(jié)構(gòu)：表層為陶瓷層，主要起隔熱作用，此外還起抗腐蝕、沖刷和侵蝕的作用；內(nèi)層為金屬粘接層，主要起改善金屬基體與陶瓷層之間的物理相容性，增強(qiáng)涂層抗高溫氧化性能的作用。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層

迄今為止，應(yīng)用最廣、最成熟的熱障涂層是以氧化釔（質(zhì)量分?jǐn)?shù) 6% ～8% ）部分穩(wěn)定氧化鋯（ YSZ）陶瓷層為面層，MCrAlY合金層為粘接層的雙層結(jié)構(gòu)熱障涂層體系。 YSZ具有低的熱導(dǎo)率和相對較高的熱膨脹系數(shù)，但是它在使用過程中存在如下問題：

（1）當(dāng)工作溫度高于 1200 ℃時(shí)，隨著燒結(jié)時(shí)間延長，YSZ 的孔隙率和微觀裂紋數(shù)量逐步減少，從而導(dǎo)熱系數(shù)上升，隔熱效果下降。

（2）高溫環(huán)境中，熱障涂層的面層和粘接層之間會(huì)生成以含鋁氧化物為主的熱生長氧化物（ TGO），同時(shí)金屬粘接層會(huì)產(chǎn)生“貧鋁帶”，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，貧鋁帶擴(kuò)大，富 Ni、Co的尖晶石類氧化物在TGO 中形成，從而使 TGO 內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，最終誘發(fā)裂紋并導(dǎo)致陶瓷面層脫落。

（3）空氣環(huán)境中或飛機(jī)跑道上的顆粒物進(jìn)入燃燒室后，在高溫作用下形成一種玻璃態(tài)沉積物 CMAS（ CaO，MgO，Al2O3，SiO2等硅酸鋁鹽物質(zhì)的簡稱）。 CMAS 附著在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上，在毛細(xì)管力的作用下沿著 YSZ 涂層孔隙向深度方向滲透，隨后 CMAS與YSZ涂層中的 Y2O3發(fā)生反應(yīng)，加速YSZ相變，最終在熱化學(xué)與熱機(jī)械的相互作用下，導(dǎo)致YSZ 涂層內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。

（4） YSZ 陶瓷面層、金屬粘接層、TGO 的熱膨脹系數(shù)存在的差異會(huì)引起致YSZ陶瓷面層/TGO界面、TGO/金屬粘接層界面上在從工作溫度（上千攝氏度）降到室溫的過程中產(chǎn)生應(yīng)變失配，從而形成熱失配應(yīng)力，最終會(huì)導(dǎo)致YSZ 面層脫落。

為了改善 YSZ 涂層性能，人們進(jìn)行了大量的探索和研究。表1是影響 YSZ 涂層服役壽命的常見問題及其改善需求、改善方法。

1、改善抗燒結(jié)性

（1）提高陶瓷涂層純度，減少 YSZ 涂層中 SiO2和 Al2O3雜質(zhì)的含量，可以顯著降低涂層的燒結(jié)速率，平面收縮傾向減小，從而降低導(dǎo)熱系數(shù)的增加速率，涂層表現(xiàn)出一定的抗燒結(jié)性。

（2）在涂層中添加特殊化學(xué)元素。例如在鑭系鋯酸鹽體系（ La2Zr2O7）涂層中適量摻雜Hf 、Nd、Gd、Sm 等元素能夠有效提升涂層的抗燒結(jié)性能。

2、控制 TGO 的生長

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫服役過程中，粘接層Al，Cr，Ni 等金屬元素接觸氧氣發(fā)生選擇性氧化，會(huì)在粘接層（ BC）和頂層陶瓷層（ TC）表面形成一層熱生長氧化物（ TGO），進(jìn)而造成涂層局部膨脹并對 TC 產(chǎn)生張力，當(dāng)張力超過了TC的結(jié)合力時(shí)就會(huì)引起裂紋擴(kuò)展，直至表面涂層的剝落。

（1）改變粘接層的化學(xué)成分。適當(dāng)摻雜一些活性元素（如 Y，Hf，Zr），在這些元素的偏析聚集作用下，降低Al2O3的增長速度，抑制TGO 生長；

（2）采用冷噴涂（ CS）、超音速火焰噴涂（ HVOF）等工藝或預(yù)先沉積一層富 Al 的PVD “薄夾層”，改善涂層結(jié)構(gòu)，降低氧氣擴(kuò)散系數(shù)，從而減緩 TGO 的生長速度。

3、改善抗CMAS腐蝕性能

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上 CMAS 的形成不僅會(huì)造成釔的損耗引起 ZrO2熔融相變產(chǎn)生不穩(wěn)定相，CMAS 的沉積還會(huì)引起涂層應(yīng)力增大，加速涂層剝蝕，大大降低熱障涂層的服役壽命。研究發(fā)現(xiàn)從以下幾方面可改善涂層抗 CMAS 腐蝕性能：

（1）改變涂層化學(xué)成分。在 YSZ 中添加 Al，Ti，Si等元素可誘導(dǎo)生成一種氧基磷灰石相，從而抑制 CMAS 的向涂層內(nèi)部侵蝕，降低界面層的浸潤性能，增強(qiáng)涂層抗 CMAS 性能。

（2）改變涂層結(jié)構(gòu)。燒綠石結(jié)構(gòu)的 Y2Zr2O7中滲入的 CMAS就比一般結(jié)構(gòu)的 YSZ 少很多。對于“ YSZ 內(nèi)層 + 稀土鋯酸鹽（ Ln2Zr2O7）燒綠石外層”、“YSZ +Sm2Zr2O7 ”和“YSZ +Gd2Zr2O7 ”等雙層熱障涂層，由于燒綠石外層可以減少 CMAS 的滲入，因此熱障涂層的抗 CMAS 侵蝕性得到極大提高。

4、改善YSZ 面層應(yīng)變?nèi)菹?/strong>

采用EB-PVD 技術(shù)、等離子物理氣相沉積技術(shù)（ PS-PVD）、懸浮液等離子噴涂技術(shù)（ SPS）等可制備 “柱狀”結(jié)構(gòu)的 YSZ 陶瓷面層，通過柱間縱向開裂釋放陶瓷面層/TGO 界面上的熱失配應(yīng)力，使熱障涂層可以承受更高的失配應(yīng)變，從而提高YSZ 陶瓷層應(yīng)變?nèi)菹?，延長涂層熱循環(huán)壽命。這種方法工藝簡單，成本低，但是縱向裂紋是通過表面集中加熱的方式產(chǎn)生的，密度不高且形態(tài)無法控制，因此涂層的循環(huán)壽命不穩(wěn)定，使得涂層在應(yīng)用上受到很大的限制。

法國 Albi 學(xué)院的 Philippe 教授和 Toulouse 大學(xué)的 Florence 教授等利用溶膠-凝膠（ Sol-Gel）方法在金屬粘接底層上沉積 YSZ 層，通過高溫?zé)崽幚硎蛊浒l(fā)生龜裂，再通過 APS 技術(shù)填充裂紋，強(qiáng)化原有結(jié)構(gòu)，形成了一種具有網(wǎng)狀分區(qū)結(jié)構(gòu)的 YSZ 陶瓷面層。研究結(jié)果表明，這種具有縱向分區(qū)結(jié)構(gòu)的熱障涂層可以達(dá)到與 EB-PVD 熱障涂層相近的熱循環(huán)壽命。

二、 新型熱障涂層發(fā)展方向

尋找新材料來滿足更高的發(fā)動(dòng)機(jī)出口溫度是熱障涂層制備和發(fā)展的重要方向。為了得到理想的熱障涂層，必須獲得具備更低熱導(dǎo)率的頂層陶瓷層，開發(fā)出新型低熱導(dǎo)率熱障涂層和陶瓷基復(fù)合材料熱障涂層成為研究熱點(diǎn)。

1 、新型低熱導(dǎo)率熱障涂層

提高熱障涂層的熱阻需要從降低熱導(dǎo)率入手，熱障涂層中的熱量傳輸主要有電子傳導(dǎo)、熱輻射和晶格聲子傳導(dǎo)三種方式，因此降低聲子平均自由程、聲子速度或材料密度，能夠有效減少晶格聲子的熱量傳輸。材料本身固有的缺陷以及摻雜都可以顯著提高外在缺陷散射，從而降低材料的導(dǎo)熱性能。

（1）改變涂層化學(xué)成分

利用Y2O3摻雜 ZrO2、各種鑭系元素（包括 La，Gd，Er，Nd，Dy 和Yb）單獨(dú)或共摻雜ZrO2、過渡金屬元素（如 Ni，Nb 和 Ta）摻雜以及Hf摻雜ZrO2，誘導(dǎo)晶格應(yīng)變，從而增大晶格的非簡諧振動(dòng)和聲子散射，進(jìn)而降低材料熱導(dǎo)率。

（2）改善涂層晶體結(jié)構(gòu)

燒綠石結(jié)構(gòu)體系（A2B2X7）憑借其較低的熱導(dǎo)率近幾年來成為新型熱障涂層研究熱門。例如稀土鋯酸鹽 Ln2Zr2O7（ Ln 為稀土元素）燒綠石結(jié)構(gòu)陶瓷涂層（如 Gd2Zr2O7，Sm2Zr2O7）相比于 YSZ，具有更好的熱物性和良好的機(jī)械性能。結(jié)構(gòu)相似的鑭系鋯酸鹽摻雜時(shí)，因其可以形成固溶體，也能夠降低材料的熱導(dǎo)率。而La2Hf2O7的熱導(dǎo)率比La2Zr2O7更低。此外，增加涂層孔隙率也有利于降低涂層熱導(dǎo)率。

2、陶瓷基復(fù)合材料熱障涂層

高溫金屬材料（如鎳、鈷或鐵基超合金）常被用于制作渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片等，但是它們通常在超過其熔點(diǎn)溫度的環(huán)境下服役，所以熱穩(wěn)定性得到極大挑戰(zhàn)。由于陶瓷基復(fù)合材料（ CMC）能夠承受1250 ℃以上的高溫，因此能夠承受更高溫度的新型CMC復(fù)合材料成為下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的主要候選材料，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的服役溫度，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)換效率。

CMC 材料不同于金屬材料，制成的熱端部件在工作時(shí)不需要進(jìn)行氣冷，并且還能改進(jìn)零件的耐久性，從而極大地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和工作率。2013年，羅羅公司采用 SiC/SiC 復(fù)合材料制造成發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示，葉片質(zhì)量可減少50% 左右。但是，CMC 在高溫下的氧化燒蝕限制了其在飛機(jī)上的應(yīng)用。以 SiC-纖維/SiC-基體 CMC 材料為例，在高壓渦輪機(jī)的高溫氧化條件下，會(huì)形成一層SiO2保護(hù)層來阻止 CMC 繼續(xù)被氧化，但是 SiO2層又會(huì)與水蒸氣反應(yīng)生成氫氧化物，從而導(dǎo)致 CMC 中 SiC基體的侵蝕。在 CMC 基體上制備一層環(huán)境熱障涂層（ EBC）是解決這一問題的關(guān)鍵。

ER7多層涂層結(jié)構(gòu)示意圖

EBC 通常由粘接層、過渡層和頂層三部分構(gòu)成（如上圖所示）。粘接層一般由 Si 元素組成，主要作用是確保 EBC 和 CMC 基體結(jié)合良好；過渡層一般由鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）和莫來石混合而成，主要起抗高溫氧化和抑制與水蒸氣反應(yīng)的作用；頂層由 BSAS 構(gòu)成，主要起到抗高溫腐蝕和抗外來物沖擊的作用。

3.功能涂層





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1.圖片



運(yùn)載火箭

2.應(yīng)用范圍

航天、航空、國防

航空發(fā)動(dòng)機(jī)

運(yùn)載火箭

坦克

武器裝備

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用與發(fā)展中航工業(yè)制造：

熱噴涂的基本原理是用特種熱源（燃燒火焰、電弧、等離子焰流、激光等）或一定溫度的高溫、高壓、高速氣體（冷氣動(dòng)力噴涂）將涂層材料熔化或半熔化，或?qū)⒐虘B(tài)粒子加速至數(shù)倍聲速，高速度噴射并牢固粘結(jié)在零件基體表面，形成設(shè)定組織性能的連續(xù)涂層。

燃燒火焰噴涂，可以噴涂塑料、金屬、合金、氧化鋁陶瓷等多種粉末和絲材，現(xiàn)代飛機(jī)樹脂基復(fù)合材料部件表面防靜電抗雷擊涂層即為火焰噴涂鋁涂層。

電弧噴涂，熱效率高、生產(chǎn)率高、噴涂成本低，廣泛用于鋼鐵結(jié)構(gòu)表面鋅、鋁及鋅鋁合金防腐涂層，對鋼鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行長效防護(hù)。在大型鍋爐內(nèi)壁噴涂耐高溫、耐腐蝕材料，可減少維護(hù)、延長使用壽命。

等離子噴涂，是熱噴涂技術(shù)中最重要的一種，幾乎可以噴涂從低熔點(diǎn)塑料到高熔點(diǎn)金屬鎢、鉬、鉭、氮化物及碳化物金屬陶瓷、氧化物陶瓷等任何材料，用途極其廣泛。

上世紀(jì)80年代超聲速火焰噴涂（HVOF）從美國推出，90年代開始廣泛應(yīng)用，目前已是WC-Co、WC-CoCr類涂層的最佳制備工藝方法，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架及直升機(jī)旋葉軸等關(guān)鍵部件耐磨涂層的制備，已經(jīng)大范圍取代飛機(jī)起落架電鍍硬鉻工藝，在避免了由電鍍硬鉻造成的六價(jià)鉻污染和部件氫脆的同時(shí)，還大幅度提高了部件耐磨性能。

熱噴涂技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

由于熱噴涂材料來源廣泛、制備工藝穩(wěn)定、涂層成分結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、涂層質(zhì)量可控、可制備多種功能及防護(hù)涂層，并可自動(dòng)化生產(chǎn)，使熱噴涂技術(shù)在航空制造技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)的關(guān)鍵零部件——壓氣機(jī)葉片榫頭、機(jī)匣、封嚴(yán)篦齒、燃燒室、渦輪葉片、導(dǎo)向葉片、軸頸、軸承座、封嚴(yán)環(huán)、噴管等數(shù)以千計(jì)的零件需進(jìn)行熱噴涂制備涂層（見圖1），涂層的應(yīng)用是航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性及服役壽命大幅度提高。

高溫可磨耗封嚴(yán)涂層等離子噴涂技術(shù)

高溫可磨耗封嚴(yán)涂層作為發(fā)動(dòng)機(jī)部件的重要涂層之一，用來調(diào)控高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件與機(jī)匣之間的間隙，對保持發(fā)動(dòng)機(jī)的效率十分關(guān)鍵。中航工業(yè)制造所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的添加陶瓷減摩自潤滑材料及聚苯酯的高溫可磨耗封嚴(yán)涂層，涂層摩擦系數(shù)低，可磨耗性能優(yōu)異，同時(shí)抗高溫氧化性能及燃?xì)鉀_刷性能優(yōu)良。高溫可磨耗封嚴(yán)涂層厚度一般超過1.5mm，必須采用機(jī)器人自動(dòng)等離子噴涂技術(shù)，噴涂參數(shù)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制、涂層厚度在線監(jiān)測，這樣有利于涂層組織結(jié)構(gòu)及厚度均勻，穩(wěn)定涂層冶金質(zhì)量。

熱障涂層等離子噴涂技術(shù)

熱障涂層廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)及地面燃?xì)廨啓C(jī)，保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件，如燃燒室、渦輪葉片、火焰噴管等（見圖2），可大幅度提高部件壽命、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低部件溫度或提高燃?xì)鉁囟取?/p>

熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積法。熱沖擊壽命和熱導(dǎo)率為熱障涂層的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。沒有優(yōu)異的抗熱沖擊性能，熱障涂層就不能在可靠性要求極高的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得成功應(yīng)用。把涂層壽命做到數(shù)千、數(shù)萬小時(shí)是熱噴涂涂層成功應(yīng)用于商用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵所在。

由于氧化釔穩(wěn)定氧化鋯在1200℃以上工作、在隨后的冷卻過程中相變，相變過程中材料體積將膨脹約4%，這種體積效應(yīng)使涂層產(chǎn)生裂紋甚至剝落。國內(nèi)外學(xué)者對兩種或兩種以上稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯的多元體系進(jìn)行了較多研究，取得了明顯進(jìn)展，美國科學(xué)家開發(fā)的氧化釓、氧化鐿、氧化釔三元稀土復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯工作溫度可達(dá)1500℃，并已商品化。

制造所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)的多元稀土氧化物復(fù)合穩(wěn)定氧化鋯超高溫?zé)嵴贤繉?，隔熱性能及抗熱沖擊性能優(yōu)異，1500℃長期工作、在隨后的冷卻過程中也沒有有害的相變發(fā)生，使用溫度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

熱噴涂技術(shù)

發(fā)展趨勢

熱噴涂技術(shù)

經(jīng)過100余年的發(fā)展，技術(shù)日益成熟，用途涉及航空航天、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、汽車、電力、燃料電池與太陽能、醫(yī)療衛(wèi)生、造紙與印刷等諸多領(lǐng)域。

要實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)鉁囟?，這必然造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的大幅度提高。碳化物、氮化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代鎳基高溫合金作為在更高溫度下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫結(jié)構(gòu)材料，制約其應(yīng)用

的重要因素是其在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)猸h(huán)境中的材料組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，碳化物、氮化物陶瓷能夠和水蒸汽等反應(yīng)生成揮發(fā)性的產(chǎn)物造成陶瓷材料結(jié)構(gòu)及性能嚴(yán)重退化。在陶瓷表面采用氣相沉積與等離子噴涂復(fù)合技術(shù)制備環(huán)境障涂層，可以有效阻止高溫燃?xì)鈿夥蘸吞沾苫w的接觸，提高陶瓷基體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在某些重要應(yīng)用領(lǐng)域需要高的涂層結(jié)合強(qiáng)度，甚至需要涂層與零件基體間冶金結(jié)合。為克服熱噴涂涂層界面機(jī)械結(jié)合的不足，激光等離子復(fù)合噴涂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生（見圖3）。激光等離子復(fù)合噴涂涂層界面為冶金結(jié)合，涂層結(jié)構(gòu)致密均勻，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)刷式封嚴(yán)跑道的制造。目前要解決的主要問題：一是控制熱輸入，避免涂層成分過度稀釋及材料組分的分解；二是降低應(yīng)力，避免涂層中出現(xiàn)裂紋。

3.功能涂層



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