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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;?
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;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
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