航空、航天科学技术

2019-01-27 21:30
中国学术期刊文摘 2019年3期
关键词:热障超高温等离子

新一代超高温热障涂层研究

郑蕾,郭洪波,郭磊,等

摘要:热障涂层通常由陶瓷层和金属粘结层组成,用于降低高温燃气环境下发动机热端部件表面温度,在航空航天、能源、舰船等领域应用广泛。已获应用的热障涂层陶瓷层材料为氧化钇稳定氧化锆(YSZ),这种热障涂层可在1200℃以下温度长期工作。然而,在更高温度下,YSZ将发生相变失稳和加速烧结,导致涂层剥落失效。随着燃气涡轮发动机服役温度不断提升,迫切需要发展新型超高温热障涂层。综述介绍了热障涂层的研究背景、迫切性和功能,以及近年来在超高温热障涂层材料、结构和制备技术等方面的进展。在目前研究的陶瓷层材料中,萤石结构 La2Ce2O7(简称 LC)由于具有极低热导率(1000℃热导率为0.6 W/mk,仅为YSZ的1/3),且在室温至1600℃长期相稳定,是一种非常有前景的超高温热障涂层陶瓷层候选材料。LC/YSZ双陶瓷层结构热障涂层在表面温度1300℃的热冲击测试中寿命达到2000次以上。对于热障涂层金属粘结层来说,要求具有良好的抗高温氧化性能,并与先进单晶高温合金基体保持匹配。RuNiAlDy涂层在1200℃完全抗氧化,而且与先进单晶合金基体保持界面匹配,能够抑制二次反应区(SRZ)和针状TCP形成。热障涂层通常由大气等离子喷涂(APS)或电子束物理气相沉积(EB-PVD)方法制备。APS涂层通常为层状结构,而EB-PVD涂层为高应变容限的柱状结构。PVD涂层沉积效率低,成本高。此外,受技术局限,APS和EB-PVD很难实现复杂型面尤其是多联叶片遮挡区涂层的均匀沉积。近来,一种基于低压等离子喷涂(LPPS)的等离子物理气相沉积(PS-PVD)技术问世。这种技术兼具APS和PVD技术优势,可实现喷涂粉末的快速气化,得到不同结构特征的涂层。尤其是,PS-PVD具有非视线沉积功能,可实现遮挡阴影区域涂层均匀沉积。PS-PVD正在发展成为一种非常有前景的高性能热障涂层制备技术。随着发动机服役温度不断提升,热障涂层面临新的挑战。一种主要由CaO、MgO、Al2O3和SiO2(简称CMAS)组成的硅化物(主要来源于灰尘、沙尘、火山灰等)被吸入发动机,黏附在热障涂层表面。高温下熔融态CMAS渗入热障涂层,加速涂层剥落失效。CMAS是目前热障涂层工业应用中的瓶颈问题之一,CMAS损伤失效机理及相关的防护方法是关注焦点。总之,新型热障涂层材料和结构设计以及制备技术的发展,是新型超高温、高隔热、长寿命热障涂层研制的基础。

来源出版物:航空材料学报, 2012, 32(6):14-24

入选年份:2016

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