氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用和发展.

2010年第36卷第6期Vol.36No.6Dec.2010

氧化锆热障涂层在航空发动机上的

应用和发展

孙福波,涂

泉

（贵州红湖机械厂，贵州561116）

摘要：介绍了氧化锆热障涂层（TBCs）的特性、制备方法及其特点，分析了TBCs在航空发动机上的应用情况，并对TBCs技术的发展做出了展望。

关键词：氧化锆热障涂层；航空发动机；热端部件；高温防护ApplicationandDevelopmentofZirconiumOxideThermalBarrier CoatingonAeroengine

SUNFu-bo,TUQuan

(GuizhouHonghuMachineryPlant,Guizhou561116,China)

Abstract:Thecharacteristicandmanufacturingmethodofthezirconiumoxidethermal

孙福波（1962），男，工程师，从事

航空发动机热障涂层、耐磨涂层、封严涂层的工程应用研究。

收稿日期：2010-04-22

barriercoating(TBCs)wasintroduced.TheapplicationofTBCswasanalyzedontheaeroengin e.TheprospectofTBCstechnologywasalsoperformed.

Keywords:zirconiumoxidethermalbarriercoating;aeroengine;hotsectioncomponent;high-temperatureprotection

1引言

对氧化锆热障涂层（TBCs）的

热温度，推重比10一级发动机要推重比15一求达到100～150℃，

级发动机要求达到150～200℃，同时，还要求TBCs具有抗高温腐蚀和高温氧化的作用，抗氧化温度达到1250℃。

本文对TBCs的特性和不同制备方法以及在航空发动机上的应用情况和发展需求进行了阐述。

代航空发动机的关键技术之一，一般由金属黏结层和陶瓷面层组成。作为热障涂层的陶瓷材料具低热导率、低辐射率和有高熔点、

高反射率等特点，采用电子束物理气相沉积EB-PVD技术和等离子喷涂技术制备，喷涂在发动机热端部件（如火焰筒、加力燃烧室、涡轮叶片）的表面，将部件与高温燃气隔绝开来，以降低部件的工作温度，并保证部件免受燃气的高温腐蚀与冲蚀。

目前，TBCs应用最多的是氧

研究始于20世纪40年代末，于60年代初应用在JT8D发动机燃随着发烧室内壁。到80年代末，动机推重比的提高，发动机热端而相关材料的承温能力有限，因此，TBCs作为减少冷却气体、延长部件寿命的1种重要工艺手段而受到重视。进入21世纪，对TBCs隔

2

2.1

基本特性和制备方法

基本特性

TBCs亦称热屏蔽涂层，是现

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化钇部分稳定的氧化锆（ZrO2）材料。该材料的涂层具有在氧化性介质中十分稳定，热导率和电导率低，抗熔融金属介质侵蚀能力强等特点，与金属或碳接触的使用温度为1700～2090℃。

TBCs一般不使用纯ZrO2粉末。因为纯ZrO2粉末在高温下的晶型转变会使其发生较大的体积变化而产生剥蚀现象。在加热过程中，伴随着约7%的体积收缩；而在冷却过程中，则产生超过7%的体积收缩。在每次加热和冷却过程中，ZrO2随着晶型转变而发生的体积收缩是不可逆的。每一循环残存的不可逆的体积变化经积累，形成很大的热应力，使其发生开裂和剥落而失效。因此，ZrO2不能用于1000℃以上的抗热震涂层，如图1所示[1]。

图1ZrO2在加热和冷却过程中的晶型转变与体积变化

研究发现，6％～8％Y2O3部分稳定的ZrO2，在温度为1300℃时仍保持立方晶体，十分稳定，并能在更高的使用温度（≥1350℃）下使用。ZrO2晶形转变的体积应力最小，因而耐热震性能更好，因此Y2O3－ZrO2已成为现代航空发动机应用的先进TBCs材料。

3热障涂层制备方法及各

种方法的优缺点

发动机涂层制备技术主要包

括等离子喷涂、电子束物理气相沉积和离子注入。

等离子喷涂包括大气等离子喷涂、层流等离子喷涂、真空等离子喷涂、

轴向送粉等离子喷涂，溶液等离子喷涂是最新发展的涂层制备技术。3.1

大气等离子喷涂

等离子喷涂技术主要用于导向叶片。3.1.1

大气等离子涂层形成

[2]

大气等离子平台涂层的形成过程如图2所示。

（a）

（b）

图2

涂层原理及结构

（1）粉材进入热源高温区，被加热、熔化，形成熔滴。

（2）熔融粒子被等离子射流推动，向前飞行。

（3）熔融粒子以较大的动能冲击基材表面，与基材碰撞，熔滴飞溅变形。

（4）熔滴冷凝收缩，交错黏结。

3.2

等离子喷涂特点

（1）优点。射流温度高，能喷涂一切有固定熔点的材料；射流速度大，涂层结构力比较高；被喷涂的工件不受限制（复杂零件除外），温度低于200℃，基体一般不变形，也不发生组织变化。

（2）缺点。涂层与基体的黏结仍以机械结合为主，不宜承受振动、冲击等重负荷；操作环境较恶劣，要求采取劳动保护和环境保护措施；影响涂层质量的因素多，且难以对涂层质量进行非破坏性检查。3.3

电子束物理气相沉积电子束物理气相沉积技术(EB-PVD)属于溅射镀，主要用于工作叶片。

EB-PVD是指在真空状态下，利用具有高能量密度的电子束轰击沉积材料（金属、陶瓷等），使之熔化、蒸发，并在基体上凝结沉积，形成涂层———具有有序结

构、

彼此分离的柱状晶体。该技术具有很高的沉积速率和较好的工艺可重复性。3.3.1 优点

（1）结合强度高。涂层沉积在真空状态下进行，有利于防止基

体与涂层材料被污染和氧化，沉积的柱状晶体与基体底层结合牢固，质量较高。（2）具有柱状晶体结构。晶体的生长方向和晶界方向均垂直于基体表面，与等离子喷涂层的片层状结构完全不同。其抗剥落寿命比等离子喷涂的提高7倍，如图3所示[3]。

（3）涂层致密、硬度高。涂层硬度提高，耐磨性比等离子喷涂

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的高2倍。图3热障陶瓷涂层柱状晶结构

（4）涂层表面光洁。经EB-PVD沉积的TBCs，表面粗糙度

低，Ra≈2.1μm，不需要进行光饰处理。3.3.2缺点