现代航空工业对热障陶瓷涂层的要求
浏览：1251次 发表于：2009-03-23 08:41:16
热障陶瓷涂层热障涂层(TBC)，亦称热屏蔽涂层，是现代航空发动机的关键技术之一。其基本原理是基于陶瓷材料具有高熔点、低的蒸气压、低的热导率、低的辐射率和高的反射率等特点，采用等离子喷涂技术，在航空发动机热端部件(如火焰筒、加力燃烧室、涡轮叶片等)的高温合金表面，喷涂一层绝热陶瓷涂层，把高温部件与高温燃气隔绝开来，以降低高温部件的工作温度，并保护高温部件免受燃气的高温腐蚀与冲蚀。现代航空工业对热障陶瓷涂层的要求如下：
1耐高温
航空发动机的热机效率是与涡轮机的燃气进口温度即燃气初温密切相关的。航空发动机的燃气初温T0，已由早期的1000～1200℃提高到1350℃，再提高到1500℃，现代航空发动机已达到1700℃，这些变化代表着航空发动机技术的几次升级换代，这就对热障涂层的耐高温性能提出了越来越高的要求。
2绝热
航空发动机热端部件用高温合金(如高温镍基合金)的工作温度已达到1100℃左右，达到其熔点温度的0?75倍，从高温力学性能来看，已接近极限使用温度。提高航空发动机的燃气初温，主要采用空气冷却和绝热涂层两种途径，而空气冷却又会降低发动机的热效率。显然，采用具有低热导率的陶瓷涂层对高温合金基体进行绝热保护，是十分重要的措施。
3耐热震
热障陶瓷涂层必须能够承受从高温到低温的温度的周期性变化，及由此产生的对涂层的热疲劳性和热冲击性。温度范围变化越大，从高温到低温的转变速度即冷却速度越大，则涂层的应力越大，涂层开裂甚至剥落的倾向越大。为了提高涂层的耐热震性，应尽可能使涂层与基体材料具有相近的热膨胀系数。
4高的化学稳定性
热障涂层应在高温下耐氧化、耐高速燃气的腐蚀和冲蚀，并且在高温下不会与基体材料发生有害的化学反应。
5低的涂层密度
密度低的陶瓷材料，通常具有较好的绝热性能。含有大量微细孔隙的陶瓷涂层，不仅质轻、绝热性好，而且对裂纹和热冲击的敏感性也较小。
6高的结合强度和长的使用寿命
热障陶瓷涂层与基体金属之间必须有高的结合强度，以保证在有效的使用期内涂层不会出现剥落失效。为此，通常在金属基体上首先喷涂一层耐高温氧化和燃气腐蚀的高温合金粘结底层，再喷涂1～3层中间过渡层，最后喷涂面层热障陶瓷涂层。热障陶瓷涂层的使用寿命包含两层意思，一是在工作温度下持续暴露的时间，这对于航空发动机的续航和远航能力十分重要；二是涂层失效的大修时间即总的使用寿命，这对于减少维修提高经济效益颇为重要。热障涂层的失效机理分析结果表明，热障陶瓷涂层的失效或剥落主要是由于两层陶瓷涂层在热应力等的作用下产生裂纹并扩展，高温燃气沿裂纹或涂层中的通孔穿透至粘结底层，使之发生氧化和腐蚀，并进一步渗透至基体金属表面。粘结底层的氧化和腐蚀，使其与基体的结合力很弱，从而使整个热障涂层剥落失效。采用真空等离子喷涂高温自粘结涂层，使之与金属基体具有高的结合强度，并形成完全致密的抗高温氧化和腐蚀的屏障，是获得长的热障涂层使用寿命的重要环节。
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