航空发动机高温防护涂层材料技术发展现状与趋势.pptx

航空发动机高温涂层 材料技术发展现状与趋势;涂层技术是指将有机、无机或混合涂层采用刷涂、浸渗、喷涂、气相沉积等方法涂覆于构件表面，从而改善构件表面性能的一门技术。 表面涂层能够对构件起到抗氧化腐蚀、抗磨、抗冲击、减振、密封、隔热等作用，可大幅度提高发动机性能、寿命和可靠性，在航空发动机中广泛应用。;;;;;航空发动机涂层;热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)：将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式与基体高温合金复合、降低高温环境下热端部件表面工作温度的一种材料技术。;兰色：Ti合金 桔黄色：钢（静止部分） 红色：Ni基;1代单晶高温合金，～1040℃ 无Re，已获得应用;显著提高发动机推力：高温合金能够承受更高的使用环境温度，提高涡轮前进口温度。工作温度提高14-15K，推力增加100kgf（总推力增加 1－2％） 降低热端部件温度：大幅度提高发动机寿命（表面温度每降低14K，相当于提高工件寿命一倍）和可靠性。; J75涡喷发动机;第三代热障涂层 (PWA266);2、GE--AE涂层;YSZ（Yttria Stabilized Zirconia） 7～8wt％YSZ是目前使用最广的热障涂层材料 高熔点（3000K以上） 低热导率（2～3 Wm－1K－1，块材） 较高热膨胀系数（～11×10－6K－1） 较低密度（～6.4g/cm3） 较低弹性模量（～40GPa） 高硬度（～14GPa）;热障涂层粘结层的主要制备方法;商用Al化物涂层的主要制备工艺 粉末包埋渗Al 浆料法渗Al 气相渗Al CVD法渗Al 此外，见诸报道的Al化物涂层制备工艺还有：液体渗Al，热喷涂渗Al，真空镀膜渗Al，电泳扩散渗Al，离子镀扩散渗Al，高频快速渗Al，熔融盐电解渗Al等。;在耐热钢容器中，将样品包装于扩散渗剂之中，渗剂由金属Al粉末或者FeAl合金粉末、催化剂（如，氯化物、氟化物）及填料(Al2O3)混合而成，用氢气或氩气做保护气体，进行热扩散处理。 高温合金包埋渗Al可分为高活性和低活性渗Al;包埋渗Al：低活性渗Al;包埋渗Al-高活性渗Al;在密封的反应器中，将样品置于渗剂之上，通入氢气或氩气保护，加热到一定温度，渗剂中的Al和催化剂反应生成AlCl，AlCl2， AlCl3 气体，扩散到高温合金表面，形成涂层。;CVD法渗Al (Chemical Vapor Deposition) 优点：1、避免渗剂颗粒嵌入涂层表面 2、可以局部渗Al，尤其适合复杂内腔渗Al， 如：气膜冷却孔内腔 3、方便加入其他元素改性Al化物涂层 ;DD6合金基体;三种不同结构的Pt改性Al化物涂层横截面形貌;三种不同结构的Pt改性Al化物涂层横截面形貌;三种不同结构的Pt改性Al化物涂层横截面形貌; PtAl2单相涂层;PtAl2+β-NiAl两相涂层表面与横截面形貌;β-(Ni、Pt)Al单相涂层表面与横截面形貌;Pt改性Al化物涂层（CVD渗Al及气相渗Al）;气相渗工件不同的放置方式对渗Al表面形貌影响 渗剂：Al粉(15 wt.%)；氯化铵(3 wt.%)；三氧化二铝(82 wt.%)；时间：6h ； 温度：1050℃;缓解高温合金基体与陶瓷层的热不匹配所产生的热应力 ZrO2陶瓷的热膨胀系数为（8～10）×10-6/℃ 高温合金的热膨胀系数为（18～20）×10-6/℃ 抗氧化腐蚀（防止基体高温合金的氧化腐蚀失效，对热障涂层的服役寿命至关重要。）;抗氧化腐蚀作用;; 等离子喷涂热障涂层 电子束物理气相沉积热障涂层;热喷涂（Thermal Spray）技术;熔滴与基材交互作用示意图;典型层状结构，具有优良的隔热性能，成本低。 缺点：抗热循环性能低于EB-PVD涂层，目前用于导向叶片等静止件的涂层制备。;在涂层沉积过程中引入一种宏观垂直裂纹结构;提高等离子喷涂涂层与基体的结合力： 通常采用表面喷砂工序，但喷砂会显著降低单晶高温合金的疲劳寿命；;基体预热： 除去表面吸附的水汽 缓解涂层的应力 促进涂层在基体表面的润湿性能 影响基体表面涂层的结构和性能;电子束物理气相沉积： Electron Beam Physical Vapor Deposition（EB-PVD）;基板温度同涂层结构关系示意图 ;EB-PVD涂层结构;; ?-NiAl/ ?-Al2O3/ YSZ;热障涂层的关键指标;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ;热障涂层的陶瓷隔热层/金属粘结层界面开裂是高温服役失效的主要表现形式之一。;热障涂层的失效模式与失效机理;;热