航空发动机叶片热障涂层技术Aircraft_Enginer_TBC_benchmark
热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用、失效与维护
热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用、失效与维护
袁忠大;王大伟
【期刊名称】《上海涂料》
【年(卷),期】2024(62)2
【摘 要】航空发动机涡轮叶片热障涂层对延长涡轮叶片的使用寿命具有至关重要的作用。首先概述了航空发动机热障涂层的重要性,其次归纳了航空发动机涡轮叶片热障涂层的制备技术及应用特点,主要对大气等离子、电子束物理气相沉积、等离子喷涂-物理气相沉积等3种热障涂层进行了论述。在此基础上,重点阐述了热障涂层在航空发动机涡轮叶片中的典型失效形式,包括高温氧化失效、热腐蚀失效及颗粒物冲击,对以上失效形式的失效机理进行了重点论述。最后结合发动机状态监控及涡轮叶片孔探技术,对涡轮叶片热障涂层的常见典型失效给出了工程案例分析与建议。
【总页数】5页(P49-53)
【作 者】袁忠大;王大伟
【作者单位】广州民航职业技术学院飞机维修工程学院;中国民航大学航空工程学院
【正文语种】中 文
【中图分类】TG156
【相关文献】 1.热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用2.热障涂层技术在航空发动机涡轮叶片上的应用3.热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究4.热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用5.航空发动机涡轮叶片热障涂层失效分析研究
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热障涂层的研究与应用
热障涂层的研究与应用
热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是一种能够提供高温隔热保护的表面涂层，广泛应用于航空航天、能源、汽车等领域。本文将介绍热障涂层的研究进展和应用情况。
一、热障涂层的研究进展
1. 热障涂层的组成
热障涂层通常由两层组成：热障层和粘结层。热障层主要由氧化锆、氧化钇等陶瓷材料构成，具有良好的隔热性能；粘结层则用于将热障层与基底材料牢固连接。
2. 热障涂层的制备方法
目前常用的热障涂层制备方法有物理气相沉积（Physical Vapor
Deposition，PVD）和热喷涂（Thermal Spray）两种。PVD方法包括真空蒸发、磁控溅射等，可以制备出致密、均匀的热障涂层；热喷涂方法包括等离子喷涂、火焰喷涂等，适用于大面积涂层的制备。
3. 热障涂层的性能研究
热障涂层的性能研究主要包括热障性能、力学性能和耐热性能等方面。热障性能是指涂层对热流的隔离能力，可以通过热流测量仪器进行测试；力学性能是指涂层的抗剥离、抗磨损等能力，可以通过拉伸试验、摩擦磨损试验等进行评估；耐热性能是指涂层在高温环境下的稳定性，可以通过高温氧化试验等进行评价。 二、热障涂层的应用情况
1. 航空航天领域
热障涂层在航空航天领域的应用非常广泛。例如，热障涂层可以应用于航空发动机的涡轮叶片上，提供高温隔热保护，延长叶片的使用寿命；热障涂层还可以应用于航天器的外壳上，减少外部热流对航天器的影响。
2. 能源领域
热障涂层在能源领域的应用主要集中在燃气轮机和燃煤锅炉等设备上。热障涂层可以提高燃气轮机的燃烧效率，减少能源损失；热障涂层还可以应用于燃煤锅炉的炉膛内壁，提高燃烧效率，减少污染物排放。
3. 汽车领域
热障涂层在汽车领域的应用主要体现在发动机部件上。热障涂层可以应用于汽车发动机的活塞、气缸盖等部件上，提高发动机的热效率，减少燃油消耗；热障涂层还可以应用于汽车排气系统的排气管道上，减少排气温度，降低噪音和排放。
热障涂层在航空发动机涡轮叶片上的应用研究
２０１１年第３７罄第２期Ｖｏｌ ３７ Ｎｏ ２ Ａｐｒ．２０１１
热障涂层在航空发动机涡轮叶片上
的应用研究
张志强，宋文兴，陆海鹰
（中航工业沈阳发动机设计研究所。沈阳１ １００１５）
张志强（１９６３），男，自然科学研究 员，从事航空发动机涡轮冷却叶片设计 工作。
收稿日期：２０１０—１２—０３
ｌ 引言 摘要：从热障涂层在涡轮叶片的应用需求出发，研究了陶瓷热障涂层的材料与制 备方法，介绍了热障涂层的基本原理和主要工艺特点，解决了热障涂层在喷涂过程中所
产生的堵塞气膜孔、减小排气面积、降低疲劳性能、遮挡等方面的难点问题，给出了热障
涂层叶片在试验和试车中的考核结果。 关键词：热障涂层；涡轮叶片；航空发动机；等离子；电子束物理气相沉积
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｂｌａｄｅ
ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ，ＳＯＮＧ Ｗｅｎ—ｘｉｎｇ，ＬＵ Ｈａｉ—ｙｉｎｇ （ＡＶＩＣ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ ｏｎ
ｔｕｒｂｉｎｅ ｕａｎｅ，ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃ ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ
ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａ ｌｏｔ ｏｆ
ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｂａｒｒｉｅｒ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｐｒａｙｉｎｇ ｗｅｒｅ ｓｏｌｖｅｄ ｓｕｃｈ ａｓ ｆｉｌｍ
叶片涂层技术原理
叶片涂层技术原理
叶片涂层技术主要用于保护叶片免受高温和腐蚀性环境的影响，提高其耐久性和可靠性。以下是叶片涂层技术的基本原理：
1. 热障涂层（TBC）：主要由一种叫氧化钇稳定的氧化锆（YSZ-Yttria
Stabilized Zirconia）物质组成。这种物质具有很高的熔点（2700℃）和很低的热传导系数（2～3W·mK），其热膨胀系数（9～11）×10- 6 K与高温合金匹配。此外，它还具有高的断裂韧性和其它优良的机械性能。在工作温度低于1200℃的情况下，YSZ性质稳定，可以使涡轮叶片使用时间大大延长。
2. 金属粘结层：位于陶瓷层和叶片基体材料之间，主要作用是提高基体的抗高温氧化腐蚀性能，缓解陶瓷层与合金基体间的热不匹配。其中，镍钴铬铝钇合金NiCoCrAlY是目前热障涂层普遍采用的一种粘结层材料。
3. 涂层工艺：通常，TBC陶瓷涂层YSZ和NiCoCrAlY金属粘接层可以通过大气等离子喷涂（APS）、电子束物理气相沉积（EB PVD）和真空等离子喷涂（VPS）的方法实现。不同的工艺方法各有优缺点，根据实际需要选择合适的工艺进行组合，可以获得表面涂层和底层涂层的最佳效果。
以上内容仅供参考，建议查阅关于叶片涂层的书籍或者咨询该领域的专家以获取更全面准确的信息。
热障涂层无损检测技术研究进展
热障涂层无损检测技术研究进展
涡轮发动机是航空飞行器和工业燃气轮机的关键核心部件，涡轮发动机的主要材料是镍基合金，其耐高温度为1000℃，不能满足工作需求。为保护发动机，发展了热障涂层（TBC）。涂覆TBC 的发动机叶片能在1600℃高温下运行，提高发动机60% 以上的热效率，有效地增加推重比，这使得TBC 逐渐应用在核反应堆、航空发动机等许多领域。然而，TBC 是一种由基底、粘结层及陶瓷层组成的多层结构系统，各层有明显不同的物理、热、机械性能，复杂的结构和苛刻的工作环境使得TBC在使用过程中易产生表面裂纹缺陷和界面脱粘缺陷，而TBC 的一些固有特性（如多孔性、较薄的厚度）使传统无损检测方法存在技术和检测效率的局限。因此，发展TBC 试件缺陷的无损检测技术具有重大意义。
传统的无损检测方法主要有渗透检测、涡流检测、超声或超声显微检测、声发射技术等。渗透检测技术通过将某些特制的液体渗透进被测构件来实现对构件表面裂纹的位置、大小和形状进行检测。涡流检测技术以电磁感应为基础，利用不同材料在交变磁场作用下产生的不同振幅和相位实现检测。超声检测和超声显微检测技术近年来发展较快，超声波经耦合剂传播到被检构件时，构件内部缺陷会阻碍超声波的传播，而无缺陷的位置超声波的传播不受影响，但是由于TBC 具有多空隙的结构特点，超声检测或超声显微检测不适合TBC 的无损检测。声发射技术利用材料变形或产生裂纹时释放的应变能产生的应力波来检测出裂纹信息，是直接检测裂纹的主要方法之一，但由于该技术需在加载过程中进行，检测的是动态缺陷，而不是静态缺陷，因而属于被动检测方法。渗透检测技术会使液体等进入试件内部，不能够形成非接触。复阻抗谱通过电路模型测量电阻、电容等性质的变化来分析TBC 的厚度、微观结构、缺陷的生长特征。但是，由于陶瓷层中的孔洞和裂纹及界面形状的不规则性对测试等效电路产生影响，带来了结果的不确定性。传统无损检测技术的检测灵敏度低，准确度不高，检测速度慢且操作复杂，加之对检测试件的限制条件，不能够实现对TBC 试件的定量无损检测。
航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术研究及应用
航空发动机Aeroengine
收稿日期：2020-12-18基金项目：国家科技重大专项（2017–VII–0007–0100）资助作者简介：王博（1985），男，在读博士研究生，高级工程师，主要从事热喷涂和物理气相沉积技术研究工作；E-mail：125515792@。
引用格式：王博，刘洋，王福德，等.航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术研究及应用[J].航空发动机，2021，47（增刊1）：25-31.WANGBo，LIUYang，WANGFude，etal.Researchandapplicationofthermalbarriercoatingsforaeroengineandgasturbineblades[J].Aeroengine，2021，47（S1）：
25-31.航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层
技术研究及应用
王博1，2，刘洋3，王福德4，张艺馨2，宋佳2
（1.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191；2.沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳110043；3.鲁迅美术学院，沈阳110004；4.空军装备部驻沈阳地区第二军事代表室，沈阳110042）
摘要：介绍了航空发动机及燃气轮机涡轮叶片热障涂层技术的研究和应用情况，对热障涂层黏结层和陶瓷层的材料、制备、应用及主要失效原因等4个方面的现状和发展趋势进行了综述。详细介绍了应用广泛的黏结层材料MCrAlY以及近几年新兴的PtAl；包括多元稀土氧化物掺杂ZrO2、萤石结构化合物、稀土锆酸盐等的陶瓷层材料；目前广泛用于生产的等离子喷涂、电子束物理气相沉积等制备技术；着重介绍了热障涂层在中国的应用情况。主要从TGO和CMAS2方面对热障涂层的失效原因分别进行了分析。简要论述了涡轮叶片热障涂层研究未来将向着1300℃以上超高温陶瓷层、1200℃以上抗氧化并与先进单晶高温合金界面匹配良好的金属黏结层、长寿命且抗CMAS性能良好的方向发展。关键词：涡轮叶片；热障涂层；制备技术；失效分析；航空发动机中图分类号：V261.93+3文献标识码：Adoi：10.13477/ki.aeroengine.2021.S1.005
一些最近的趋势在研究和先进技术的热障涂层
一些最近的趋势在研究和先进技术的热障涂层
摘要：
陶瓷热障热障涂层为大大提高航空发动机以及固定燃气涡轮机发电的效率提供了可能性。在汽轮机内部零件冷却温度梯度可以实现100到150℃。如今，最先进的涂层 ，通常由一个氧化钇稳定氧化锆表面涂层和金属粘结层沉积到一个高温合金的表面，主要用于延长使用寿命。进一步提高涂层效率是不可或缺的，反过来,需要可靠的和可预测的TBC性能。目前,电子束物理气相沉积法制备的涂层备受高性能应用的青睐。本文强调的关键是研发高级的TBC系统，特别注重减少热导率和寿命预测的需要。
1.说明
在工程组件中，高压涡轮叶片和航空叶片是最高度加载部分。 对于这些应用要求只有高温镍基高温合金可以考虑。见图1所示，这些合金已经成熟,多年来一直从锻造到铸造,然后定向凝固合金,而在最新一代的涡轮机最苛刻的应用,如旋转涡轮机组件，需要采用单晶材料。在今天的发动机,热气体的温度超过镍基合金的熔点250℃。机翼在这种环境下可以存在的唯一途径是内部和外部冷却, 然而,这样降低航空发动机的总热效率。这样的极端条件下，金属峰值温度涡每增加10到15℃，轮机叶片蠕变寿命就会减半。实际的金属表面温度约为1000℃时，其短期峰值温度高达1100℃。很明显，合金的熔点限制着未来的发展。然而,进一步提高下一代航空发动机的推力-体重比将需要更高的气体温度。 毫无疑问,这个伟大的目标只能通过使用不经济的大程度冷却，或从材料角度来着手—先进高温材料如新一代的镍基合金，首先,通过使用先进的涂料系统,特别是热障涂层。本文着重介绍了热障涂层的现状,阐明了在该区域未来发展的方向。
2. 热障涂层
热障涂层通常由一个双涂层系统组成，如图2所示。实际的隔热涂层是顶部的陶瓷涂层，主要的功能减少金属基体的热量。多年来，氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)一直是最佳选
择,因为它的热导率比镍基高温合金低一个数量级。此外,作为一个陶瓷,它也显示了一个相对较高的热膨胀系数,这接近金属基体的热膨胀系数，因为这个原因,在热循环过程中可以承受张力而不会立即剥落。在TBC层和金属基质之间，使用了金属耐腐蚀涂层,它可以保护基质氧化或高温腐蚀，并且为机翼的陶瓷材料提供必要的附着力。这些粘结层涂料要么是覆盖涂料(MCrAlY)或着是扩散涂料(铂修饰的铝)。在使用的过程中，粘结层与陶瓷层之间会氧化生成氧化层，这是影响热障涂层使用寿命的关键。图3显示了NiCoCrAlY粘结层和YPSZ TBC涂层之间界面的TEM显微图，在沉积过程 一个薄的TGO层已经形成了。
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
第52卷 第11期 表面技术 2023年11月 SURFACE TECHNOLOGY ·139·
收稿日期：2022-08-13；修订日期：2023-03-01 Received：2022-08-13；Revised：2023-03-01 基金项目：山西省回国留学人员科研项目“动态压剪条件下南极固定冰屈服行为的研究”（2020-030）；中国—白俄罗斯电磁环境效应“一带一路”联合实验室（ZBKF2022031101） Fund： Research Project of Returned Overseas Students in Shanxi Province, "Study of Antarctic Fixed Ice Yielding Behavior under Dynamic Compressive Shear" (2020-030); China-Belarus Electromagnetic Environmental Effects "One Belt, One Road" Joint Laboratory (ZBKF2022031101) 引文格式：贾宜委, 王鹤峰, 王宇迪, 等. 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 139-154. JIA Yi-wei, WANG He-feng, WANG Yu-di, et al. Research Status on Thermal Barrier Coating of Aircraft Engine Turbine Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 139-154. *通信作者（Corresponding author） 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
贾宜委，王鹤峰*，王宇迪，赵帅，昂康
（太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024）
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状 2
航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
【1】航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状
【2】 概述
航空发动机是现代航空运输的核心组件，而涡轮叶片则是发动机中最重要的零部件之一。涡轮叶片承受着高温高压的工作环境，需要具备优异的耐热性和耐腐蚀性能。为了提高涡轮叶片的寿命和性能，热障涂层技术应运而生。本文将对航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状进行探讨。
【3】热障涂层的作用
热障涂层技术是通过在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温材料，形成热障层，以减少叶片表面的工作温度，提高叶片的耐热性能和抗氧化能力。热障涂层能够有效减少涡轮叶片的热应力和热疲劳损伤，延长叶片的使用寿命，并提高发动机的工作效率和可靠性。
【4】热障涂层研究的发展历程
热障涂层技术在航空领域的发展可以追溯到上世纪50年代，最初采用的是金属涂层。然而，金属涂层存在着氧化、粘结力差等问题，限制了其应用。随着陶瓷涂层材料的研究和发展，陶瓷涂层逐渐取代金属涂层成为主流。目前，热障涂层的研究重点主要集中在材料性能的优化、工艺改进以及涂层与基底材料之间的耦合问题等方面。
【5】热障涂层材料的选择
航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料需要具备优异的耐高温性能、热膨胀系数匹配性和抗氧化能力。目前常用的涂层材料主要有氧化铝、氧化锆和复合材料等。不同的涂层材料具有各自的特点和优势，在应用中需要根据具体的工作环境和性能要求来选择合适的材料。
【6】研究热障涂层的关键技术
热障涂层的研究涉及到材料制备、涂层工艺、热处理和性能评价等多个方面。其中，材料制备的关键技术包括热喷涂和物理气相沉积等方法，涂层工艺的关键技术包括预处理、喷涂参数控制和后处理等。涂层与基底材料之间的耦合问题也是热障涂层研究中的一个重要方向。
【7】热障涂层的性能评价
热障涂层的性能评价主要包括热稳定性、热膨胀性、抗氧化性和机械性能等指标。常用的测试方法有热循环试验、热膨胀系数测试、高温氧化试验和机械性能测试等。通过对涂层性能的评价，可以为进一步改进和优化涂层设计提供参考和依据。
航 空 发 动 机 叶 片 涂 层
1 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 2 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。