航空发动机叶片用热障涂层的现状
航空发动机涡扇叶片及其成形工艺
航空发动机涡扇叶片及其成形工艺 涡扇发动机具有耗油率低、起飞动力大、噪音低和迎风面积大等特点。60年代中期，它只应用于客机和轰炸机，当时人们普遍认为，它很难在高速歼击机上应用。自70年代以来，带加力的高推比涡扇发动机的相继问世，使战斗机的性能提高到了一个新的水平，从而彻底改变了人们对涡扇发动机的偏见。90年代中期，又为第四代战斗机成功研制了推重比10带加力的涡扇发动机。与此同时，为满足发展巨型、远程运输机、宽机身客机的需要，国外先进的发动机厂家又研制成功了大推力、低耗油率、大流量比的涡扇发动机。时至今日，涡扇发动机已是应用数量最多、范围最广和最有发展前景的航空发动机。 风扇叶片是涡扇发动机最具代表性的重要零件，涡扇发动机的性能与它的发展密切相关。初期的风扇叶片材料为钛合金，具有实心、窄弦、带阻尼凸台结构。现今，风扇叶片在材料、结构方面已改进许多。为了增强刚性，防止振动或颤振，提高风扇叶片的气动效率，用宽弦结构代表了窄弦、带阻尼凸台结构；为了减轻重量，用夹芯或空心结构取代了实心结构；为了增大流量比，提高大推力涡扇发动机推进效率，风扇转子直径已增大到了3242mm，风扇叶尖速度已高达457m/s。而这些材料新、叶身长、叶弦宽、结构复杂的风扇叶片的成形工艺是非常复杂的。因此，风扇叶片的成形工艺始终是涡扇发动机的关键制造技术之一。 1早期风扇叶片 早期风扇叶片为大尺寸实心结构，为防止共振及颤振，它的叶身中部常带有一个阻尼凸台(又称减振凸台)。所有叶片的凸台连成一环状，既增强了刚性又改变了叶片固有频率，减小了叶根弯曲和扭转应力。阻尼凸台接合面喷涂有耐磨合金，当叶片振动时，接合面相互摩擦可起阻尼作用。阻尼凸台一般位于距叶根约整个叶片长度的50%～70%处。阻尼凸台的存在带来一系列问题，如：由于它的存在及它与叶身连接处的局部加厚，使流道面积减少约2%，使空气流量降低，造成气流压力损失，使压气机效率下降，发动机耗油率增加；增加了叶身重量，使叶片离心力负荷加大；使叶片制造工艺更加复杂。在有些风扇叶片上，为了增强抗外物撞击损伤能力，叶身上除了阻尼凸台以外，还有较厚的加强筋。 CFM56-3和CFM56-5发动机风扇转子直径约1700mm，风扇叶片长约600mm，由整体钛合金锻件经机械加工而成。风扇叶片毛坯先镦锻出叶根和阻尼凸台，经预锻成形，再精锻、切边。叶身成形可用数控铣、数控仿形磨、电解加工和抛光等工艺。随着叶片批量生产的增加，应尽量采用精锻法生产出钛合金风扇叶片的锻坯，以提高材料的利用率，减少机械加工工作量和提高风扇叶片的使用寿命。但生产这样大的风扇叶片精锻毛坯，需要使用昂贵的高精度的万吨级机械压力机或螺旋压力机，所需模具的尺寸大、精度也高。因此，精锻工序的成本很高。4钛合金宽弦无凸台空心风扇叶片5高韧性环氧复合材料风扇叶片
热障涂层的制备及其失效的研究现状
收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225 作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表 面强化及器件制造. Email:x ingyazhe@gm https://www.360docs.net/doc/0414688529.html, 热障涂层的制备及其失效的研究现状 邢亚哲,郝建民 (长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064) 摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。 关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理 中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204 Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atings XING Ya 2zhe,HAO Jian 2min (School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China) Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail. K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying; Fa ilure mechanism 随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。典型的TBCs 在结构上包含四个部分 [1] :1基体,即被保护的 零件;o金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);?热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;?陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ), 正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程 早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。 随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC
航空发动机涡轮叶片
摘要 摘要 本论文着重论述了涡轮叶片的故障分析。首先引见了涡轮叶片的一些根本常识；对涡轮叶片的结构特点和工作特点进行了详尽的论述，为进一步分析涡轮叶片故障做铺垫。接着对涡轮叶片的系统故障与故障形式作了阐明，涡轮叶片的故障形式主要分为裂纹故障和折断两大类，通过图表的形式来阐述观点和得出结论；然后罗列出了一些实例（某型发动机和涡轮工作叶片裂纹故障、涡轮工作叶片折断故障）对叶片的故障作了详细剖析。最后通过分析和研究，举出了一些对故障的预防措施和排除故障的方法。 关键词：涡轮叶片论述，涡轮叶片故障及其故障类型，故障现象，故障原因，排除方法
ABSTRACT ABSTRACT This paper emphatically discusses the failure analysis of turbine blade.First introduced some basic knowledge of turbine blades;The structure characteristics and working characteristics of turbine blade were described in she wants,for the further analysis of turbine blade failure Then the failure and failure mode of turbine blades;Turbine blade failure form mainly divided into two major categories of crack fault and broken,Through the graph form to illustrate ideas and draw conclusions ;Then lists some examples(WJ5 swine and turbine engine blade crack fault,turbine blade folding section)has made the detailed analysis of the blade.Through the analysis and research,finally give the preventive measures for faults and troubleshooting methods. Key words: The turbine blades is discussed，turbine blade fault and failure type，The fault phenomenon，fault caus，Elimination method
【CN109811338A】一种激光增材制造热障涂层材料的方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910275801.1 (22)申请日 2019.04.08 (71)申请人 大连理工大学 地址 116024 辽宁省大连市甘井子区凌工 路2号 (72)发明人 吴东江 刘妮 牛方勇 马广义 余超 散俊德 (74)专利代理机构 大连理工大学专利中心 21200 代理人 李晓亮 潘迅 (51)Int.Cl. C23C 24/10(2006.01) B22F 3/105(2006.01) B33Y 10/00(2015.01) B33Y 30/00(2015.01) B33Y 70/00(2015.01) (54)发明名称一种激光增材制造热障涂层材料的方法(57)摘要本发明提供一种激光增材制造热障涂层材料的方法，属于增材制造领域。该方法主要是采用激光直接沉积技术在NiCrAlY基体中混入不同含量的Al 2O 3增强基体性能。主要步骤包括：步骤A，调整送粉器送粉速率使Al 2O 3占二者混合粉末质量分数范围为5％～25％；步骤B，调整工艺条件，确定NiCrAlY送粉速率为1.5～2g/min，调整激光扫描速度100～400mm/min。步骤C，实际成形，成形不同结构件时工艺参数需要进行相应调整。本发明采用Al 2O 3增强NiCrAlY基体，提高金属基体的耐磨性并且一定程度上提高金属基体的综合力学性能，降低NiCrAlY的摩擦系数。另外，本发明采用激光增材制造技术相比于等离子喷涂等方法可以灵活的控制粉末的比例，实现两种粉末不同比例混合成形，而且成形组织致密， 层间结合力良好。权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 109811338 A 2019.05.28 C N 109811338 A
航 空 发 动 机 叶 片 涂 层
航空发动机叶片涂层技术 一．涡轮叶片是先进航空发动机核心关键之一 航空发动机被称为现代工业“皇冠上的明珠”，航空发动机是飞机的“心脏”，价值一般占到整架飞机的20%-25%。目前，能独立研制、生产航空发动机的国家只有美、英、法、俄、中5个。但是，无论“昆仑”、“秦岭”发动机、还是“太行”系列，我国航空发动机的水平距离这一领域的“珠穆朗玛”依然存在不小的差距。美、俄、英、法四个顶级“玩家”能够自主研发先进航空发动机。西方四国由于对未来战场与市场的担忧，在航空发动机核心技术上一直对中国实施禁运和封锁。技术难关有很多。本人认为涡轮叶片是先进航空发动机的核心技术之一。 随着航空航天工业的发展，对发动机的性能要求越来越高，要使发动机具有高的推重比和大的推动力，所采用的主要措施是提高涡轮进口温度。国外在20世纪90年代，要求涡轮前燃气进口温度达1850-1950K。美国在IHPTET计划中要求：在海平面标准大气条件下，航空燃气涡轮机的的涡轮进口温度高达2366K。涡轮进口温度的提高要求发动机零件必须具有更高的抗热冲击、耐高温腐蚀、抗热交变和复杂应力的能力。对于舰载机，由于在海洋高盐雾环境下长期服役，要求发动机的叶片的耐腐蚀性更高；常在沙漠上飞行的飞机，发动机的叶片要具有更好的耐磨蚀。 众所周知：镍基和钴基高温合金具有优异的高温力学和腐蚀性
能，广泛用于制造航空发动机和各类燃气轮机的涡轮叶片（blade and vane）。就材质来看：各国的高温合金型号虽各不相同，但就相近成分的高温合金来说，其性能相近（生产工艺方法不同有也造成性能有大的差异）。好的高温合金的使用温度也只有1073K左右，为达到前面所说的要求温度，采用的方法有二：一是制成空心的叶片。空心叶片自20世纪60年代中期出现以来，经历了对流冷却、冲击冷却、气膜冷却以及综合冷却的发展历程，使进气口温度高出叶片材料约300—500℃，内腔的走向复杂化和细致化。这一步的改进仍难满足需要，且英国发展计划将取消冷却。二是涂层，常进行多材质多层次涂层。 PVT公司研究表明：军用直升机上的发动机叶片采用涂层，在沙漠上飞行，寿命可提高3倍左右，不仅大大降低了制造发动机叶片的成本，同时也使飞机的维护时间延长了两倍。 二．涡轮叶片的涂层 高温合金的生产方法或晶形结构对产品的性能是有很大影响的，如图1所示，GE公司20年前开始采用单晶高温合金制作战机用发 Fig.1 Comparative preperties of polycrystal,columnar and single-crystal superallys
大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析
第23卷第6期2008年6月 航空动力学报 Journal of Aerospace Pow er Vol.23No.6 J une 2008 文章编号:100028055(2008)0620976205 大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析 刘大响1,金 捷2,彭友梅1,胡晓煜3 (1.中国航空工业第一集团公司科技委,北京100012; 2.北京航空航天大学航空发动机数值仿真研究中心,北京100083; 3.中国航空工业第一集团公司发展研究中心,北京100012) 摘 要:对军民用大涵道比涡扇发动机的现状和发展趋势等进行了阐述,从国家大型飞机工程的战略目标、大型飞机发动机的重要性和市场前景等方面,对我国大涵道比涡扇发动机的需求、现状和差距进行了初步分析,简要介绍了我国大涵道比涡扇发动机的总体方案,提出了发展我国大涵道比涡扇发动机的主要关键技术,并分别从大涵道比涡扇发动机、国际合作、材料工艺试验条件建设等方面,简要论述了关键技术解决途径与措施建议. 关 键 词:大涵道比涡扇发动机;综述;需求分析;关键技术;措施途径中图分类号:V231 文献标识码:A 收稿日期:2007208209;修订日期:2008204208 作者简介:刘大响(1937-),男,湖南祁东人,教授、博导、工程院院士,主要研究方向:发动机发展战略、发动机总体、稳定性分析 和评定、发动机数值仿真技术等. Summarization of development status and key technologies for large airplane engines L IU Da 2xiang 1,J IN Jie 2,PEN G Y ou 2mei 1,HU Xiao 2yu 3 (https://www.360docs.net/doc/0414688529.html,mittee of Science and Technology of China Aviation Indust ry Corporation I , Beijing 100012,China ; 2.Aeroengine Numerical Simulation Research Center , Beijing University of Aeronautics and Ast ronautics ,Beijing 100083,China ;3.Develop ment and Research Center of China Aviation Indust ry Corporation I , Beijing 100012,China )Abstract :The develop ment stat us and trends of military and civil high bypass pressure ratio (BPR )t urbofan engines for large airplanes has been summarized in t he paper.In t he as 2pect s of st rategical goals ,importance and marketing foreground of t he high BPR t urbofan engines for national large airplanes engineering in China ,t he requirement s ,stat us and gap s of high BPR t urbofan engines in China have been analysis briefly as well as t he int roduction of t he overall engine scheme for t he high BPR t urbofan engines wit h t he main key technolo 2gies for t he engines.In terms of military and civil high BPR t urbofan engines technologies ,international cooperation ,materials and techniques and test facilities ,some suggestion and app roach have been discussed for t he technical challenges wit h t he develop ment of high BPR t urbofan engines in China. K ey w ords :highbypass pressure ratio (BPR )t urbofan engine ;summarization ; requirement s ;key technologies ;app roach
EB-PVD制备热障涂层完整介绍
电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术制备热障涂层技术 黄升 摘要：本文介绍电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备热障涂层技术，结合发展历程综述其技术原理、设备构造及工艺特点。 关键词：电子束物理气相沉积（EB-PVD）热障涂层 1 引言 当今航空涡扇发动机正朝高流量比、高推重比和高涡轮进口温度方向发展，这就使得发动机叶片所承受温度不断升高，据报道目前商用飞机燃气温度达1500 °C、军用飞机燃气温度高达1700 °C[1]。而当前所使用镍基高温合金最高工作温度只能达到1200 °C，并几乎已达到其使用温度上限，提升空间极其有限。面对发动机使用的高温障碍，降低发动机叶片温度就成了极其关键的任务。热障涂层就是一种降温的有效途径（见图1），自20世纪70年代初问世以来[2]，受到广泛重视并迅速发展成为高温涂层研究的热点[3-8]。 图1 涡轮叶片承温能力 所谓热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）是指由金属缓冲层或者黏结层和耐热性好、隔热性好的瓷热保护功能层组成的层合型金属瓷复合涂层系统[9]。一般由具有一定厚度和耐久性的瓷涂层、金属粘结层和承受机械载荷的合金组成。目前根据不同设计要求热障涂层具有如图2所示双层、多层、梯度系统三种结构形式。 图2 热障涂层结构示意图 而电子束物理气相沉积（Electron bean-physical vapor deposition EB-PVD）制备热障涂层（TBCs）是在20世纪80年代开发，近年来不断发展成熟起来的新技术，其使用高能
电子束加热并汽化瓷源，瓷蒸汽以原子形式沉积到基体上而形成涂层。EB-PVD法制备的TBCs涂层表面光洁，有良好的动力学性能；涂层/基体的界面以冶金结合为主，结合力强，稳定性好。特别是其制备涂层组织为垂直基体表面柱状晶结构，具有很高的应变容限，较热喷涂制备涂层热循环寿命提升巨大。另外EB-PVD工艺技术精密，具有良好的可重复性。 简而言之，EB-PVD法制备热障涂层是兼具优良性能和巨大应用潜力的前沿技术。 2 EB-PVD技术发展历程 EB-PVD技术是伴随着电子束与物理气相沉积技术的发展而发展。直到上世纪中叶，电子束与物理气相沉积技术结合并成功地用于材料焊接及镀膜（或涂层）的制备。20世纪80年代，美国、德国等西方国家开始利用EB-PVD工艺制备热障涂层，但由于该设备在西方国家价格昂贵，且制备成本高，这使得对EB-PVD 技术的开发曾经一度停止[10, 11]。 20世纪50年代，前联对EB-PVD设备和工艺的投入全部集中在乌克兰巴顿焊接研究所，该所设计制造了30多台各种类型的EB-PVD设备。前联解体后，在科学院院士B A Movchen 的领导下，乌克兰巴顿焊接研究所成立了电子束国际中心（International Center for Electron Beam Technologies, ICEBT），并将EB-PVD设备的成本降低到接近西方国家同类设备的1/5。该中心成功地在叶片上制备出热障涂层，现已得到应用。到了上世纪九十年代中期，随着乌克兰巴顿焊接研究所研制的低成本的EB-PVD设备在世界各国的推广，从而掀起了EB-PVD技术的开发的新热潮[12-14]。 鉴于等离子喷涂（APS）涂层表面粗糙度大、孔隙多，难以适应气动性要求高的飞行器发动机涡轮转子叶片，加之APS涂层热稳定性和抗热冲击、热腐蚀性差。因此自20世纪70年代开始国外对EB-PVD制备TBCs开展了大量研究，自20世纪80年代美国、德国均获得可成功的应用[15]。由于EB-PVD TBCs柱状组织结构，能非常牢固地粘接在金属基体上，当基体受热膨胀时，柱状瓷晶体在水平方向具有大膨胀系数与基体匹配，在平面的氏模量较低，可更多地释放热应力，具有较好的抗热冲击性。正是这种高应力容限，使这种TBCs在高应力发动机上成功工作而不致剥落。这种特性是等离子喷涂TBCs不具备的。EB-PVD制备的TBCs在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用，正常情况下，TBCs可降低金属表面温度50～80 °C，个别高温点降温可达140 °C。 以EB-PVD技术在梯度热障涂层的研究历程中起的作用为例，为了解决金属与瓷热膨胀系数不匹配造成瓷层过早剥落现象，德国和加拿大研究人员最先提出了梯度热障涂层的设想。梯度热障涂层（图3）顶层YSZ（Yttria Stabilized Zironia）瓷层，底层为NiCoCrAlY金属粘接层，在二者之间引入了Al2O3-YSZ 梯度过渡层[16, 17]。该系统中金属粘接层到瓷层为连续过渡，消除了层状结构的明显层间界面，使涂层力学性能由基体向瓷层连续过渡。B A Movchan等人[18]选用Al-Al2O3-YSZ作为梯度过渡材料，利用EB-PVD采用单源多组分蒸发技术制备梯度热障涂层。采用EB-PVD方法制备梯度热障涂层，将在YSZ瓷层形成柱状晶结构，极提高瓷层的容应变能力。当Al2O3和ZrO2共同蒸发时，将在基体上得到具有微观多孔结构的Al2O3-YSZ混合层，可以降低材料的热导率。EB-PVD制备梯度TBC的抗热震性能得到了提高，在1135 °C (24 h)风冷至50 °C的热循环试验条件下，涂层能持续1500 h。
航空发动机叶片材料及制造技术现状
航空发动机叶片材料及制造技术现状 在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志【007】。 航空发动机不断追求高推重比，使得变形高温合金和铸造高温合金难以满足其越来越高的温度及性能要求，因而国外自7O年代以来纷纷开始研制新型高温合金，先后研制了定向凝固高温合金、单晶高温合金等具有优异高温性能的新材料；单晶高温合金已经发展到了第3代。8O年代，又开始研制了陶瓷叶片材料，在叶片上开始采用防腐、隔热涂层等技术。 1 航空发动机原理简介 航空发动机主要分民用和军用两种。图1是普惠公司民用涡轮发动机主要构件；图2是军用发动机的工作原理示意图；图3是飞机涡轮发动机内的温度、气流速度和压力分布；图4是罗尔斯-罗伊斯喷气发动机内温度和材料分布；图5为航空发动机用不同材料用量的发展变化情况。 图1 普惠公司民用涡轮发动机主要构件 图2 EJ200军用飞机涡轮发动机的工作原理
图3 商用涡轮发动机内的温度、气流速度和压力分布 图4 罗尔斯-罗伊斯喷气发动机内温度和材料分布 图5 航空发动机用不同材料用量的变化情况
1变形高温合金叶片 1.1 叶片材料 变形高温合金发展有50多年的历史，国内飞机发动机叶片常用变形高温合金如表1所示。高温合金中随着铝、钛和钨、钼含量增加，材料性能持续提高，但热加工性能下降；加入昂贵的合金元素钴之后，可以改善材料的综合性能和提高高温组织的稳定性。 1.2 制造技术 生产工艺。变形高温合金叶片的生产是将热轧棒经过模锻或辊压成形的。模锻叶片主要工艺如下： （1）镦锻榫头部位； （2）换模具，模锻叶身。通常分粗锻、精锻两道工序；模锻时，一般要在模腔内壁喷涂硫化钼，减少模具与材料接触面之阻力，以利于金属变 形流动； （3）精锻件，机加工成成品； （4）成品零件消应力退火处理； （5）表面抛光处理。分电解抛光、机械抛光两种。 常见问题。模锻叶片生产中常见问题如下： （1）钢锭头部切头余量不足，中心亮条缺陷贯穿整个叶片； （2） GH4049合金模锻易出现锻造裂纹； （3）叶片电解抛光中，发生电解损伤，形成晶界腐蚀； （4） GH4220合金生产的叶片，在试车中容易发生“掉晶”现象；这是在热应力反复作用下，导致晶粒松动，直至剥落。 发展趋势。叶片是航空发动机关键零件．它的制造量占整机制造量的三分之一左右。航空发动机叶片属于薄壁易变形零件。如何控制其变形并高效、高质量地加工是目前叶片制造行业研究的重要课题之一。
热障涂层材料研究进展_周洪
*2005民口配套项目 周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @https://www.360docs.net/doc/0414688529.html, 热障涂层材料研究进展* 周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆 Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode (T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030) A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s. Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言 热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1～3]。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。 1 热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散 快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。 1.1 热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2 常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8～10]。 研究表明[1,2,4,9～12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m ) 1170℃950℃ 正方相(t )2370℃ 立方相(c ) 单斜相与四方相间转化因伴有3%～6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层
(7)航空发动机叶片-15页文档资料
发动机叶片 一、发动机与飞机 1.发动机种类 1）涡轮喷气发动机（WP）WP5、WP6、WP7、……WP13 2）涡轮螺桨发动机（WJ）WJ5、WJ6、WJ7 3）涡轮风扇发动机（WS）WS9、WS10、WS11 4）涡轮轴发动机（WZ）WZ5、WZ6、WZ8、WZ9 5）活塞发动机（HS）HS5、HS6、HS9 2.发动机的结构与组成 燃气涡轮发动机主要由压气机、燃烧室和涡轮三大部件以及燃油系统、滑油系统、空气系统、电器系统、进排气边系统及轴承传力系统等组成。（发动机的整体构造如下图1）三大部件中除燃烧外的压气机与涡轮都是由转子和静子构成，静子由内、外机匣和导向（整流）叶片构成；转子由叶片盘、轴及轴承构成，其中叶片数量最多（见表1～5） 3. 工作原理：发动机将大量的燃料燃烧产生的热能，势能给涡
轮导向器斜切口膨胀产生大量的动能，其一部分转换成机械功驱动压气机和附件，剩余能由尾喷管膨胀加速产生推力。 热力过程：用p-υ或T-S 图来表示发动机的热力过程： 4. 发动机是飞机的动力，也是飞机的心脏，不同用途的飞机配备不同种类的发动机。如： 1） 军民用运输机、轰炸机、客机、装用WJ 、WS 、WP 类发 动机。 2） 强击机、歼击机、教练机、侦察机、装用WP 、WS 、HS 类发动机。 3） 军民用直升机装用WZ 类发动机。 二、 叶片 在燃气涡轮发动机中叶片无论是压气机叶片还是涡轮叶片，它们的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进的工作。叶片是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要求高，
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
先进热障涂层的综述
关于先进热障涂层的综述 摘要：在过去的几十年中，许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料，其中很大一部分都是氧化物。由于它独特的性能，这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。另一方面，由于YSZ有一些缺点，尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。 本篇文献是对不同新型涂层材料的综述，尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终，我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法 关键词：热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率 一、简介 TBC系统是典型的双层式结构，它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率，通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度（几百K）。因此，它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。 自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。在19世纪60年代，第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。接下来的几十年中，热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代热障涂层迅猛发展。在这十年中，氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料，因为它作为一个近30年来的标准而被确立。 根据沉积工艺的不同，已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积（EB-PVD），另一种是大气等离子喷涂（APS）。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉积法相比，大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲，因此现在更多的TBC 采用这种方法。典型静态部件，像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定的燃气轮机中，其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。 燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变，标准材料YSZ必然会接近它的极限。 由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下，它能够
航空发动机叶片增材制造
航空发动机叶片增材制造调查报告 总体来说，有这样几种可行性方向。 一、工艺方向，包括整体增材制造或者表面增材强化： 1. 整体增材制造：使用3d打印代替传统加工工艺，整体打印。目前可行的3d打印技术包括： FDM：熔融沉积(Fused Deposition Modeling) SLM：选择性激光熔融技术（Selective Laser Melting） SLS：选择性激光烧结成型法（Selective Laser Sintering） DMLS：直接金属激光烧结（Direct Metal Laser Sintering） LMD：激光金属沉积（laser metal deposition） 相比于熔模铸造，增材制造具有的优势多于劣势，因此具有较大研究价值。如何解决增材制造新工艺存在的技术弱点正是需要研究的方向。总结有如下几点： ①强度问题：目前最常用为镍基合金增材，使用何种材料可提升强度？ ②精度问题：粘结剂喷射，然后是适当的烧结和表面处理是一种很有前途的合金制造工艺 [1]，如何进一步提升表面精度？ ③温度问题：3d打印叶片目前只是在常温叶片制造上有一些应用，针对于航空发动机涡轮的耐高温叶片（1400-1700℃）则鲜有研究。需要解决问题包括：除镍基合金外，打印粉末采用何种耐高温材料（金属、非金属、复合材料[2]）？最佳的高温合金打印方法是哪一种？ ④建立模型：建立增材制造叶片的收缩模型、疲劳模型、力学模型等。 2.表面增材强化：使用激光熔覆或等离子喷涂，在已有叶片表面上增加强化散热层，叶片为多层结构。（滕海灏） 二、产品方向，叶片结构智能化和新材料应用。目前叶片结构如下图所示[3]，采用熔模铸造的工艺方案，其优缺点见上表。如前所述，如果采用3d打印工艺加工这种空心叶片结构将会实现多方面的优化。就产品本身而言，可以在如下方面进行研究。