航空发动机高温防护涂层材料技术发展现状与趋势.pptx

航空发动机高温涂层 材料技术发展现状与趋势 涂层技术是指将有机、无机或混合涂层采用刷涂、浸渗、喷涂、气相沉积等方法涂覆于构件表面，从而改善构件表面性能的一门技术。 表面涂层能够对构件起到抗氧化腐蚀、抗磨、抗冲击、减振、密封、隔热等作用，可大幅度提高发动机性能、寿命和可靠性，在航空发动机中广泛应用。 低温端 高温端 防护涂层在航空发动机上的应用示意图 先进航空发动机上几乎所有的热端部件均涂覆有各类涂层。 有资料显示，发动机中涂覆各类涂层的部件有2000多个。 低温端 高温端 防护涂层在航空发动机上的应用示意图 高温耐磨涂层：过渡段，可承受800℃以下的高温磨损； 低温耐磨涂层：轴颈和4级封严环，在300℃以下耐磨性能； 抗微震磨损涂层：压气机叶片和静子外环块，既有良好的耐磨性能，又具有优异的抗疲劳性能； 低温端 高温端 防护涂层在航空发动机上的应用示意图 封严涂层：所有封严圈、盘（与蜂窝或可刮削涂层配合），具有动态密封作用，可提高发动机的功率和效率； 低温可刮削（封严）涂层 高温可刮削（封严）涂层 防护涂层在航空发动机上的应用示意图 低温端 高温端 抗高温氧化腐蚀和热障涂层： 叶片、火焰筒、过渡段、隔热屏等，兼有抗高温氧化腐蚀和隔热功能。 航空发动机涂层 一、抗高温氧化腐蚀涂层 二、封严涂层 三、热障涂层 热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)：将耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式与基体高温合金复合、降低高温环境下热端部件表面工作温度的一种材料技术。 推重比 10 12～15 涡轮前温度： 1850～1950K 2050～2100K 叶片表面温度： ＞1400K ＞ 1500K 推重比10高压导向叶片用IC10： ≤1370K (1100℃) 高压涡轮叶片用DD6： ≤1340K (1070℃) 第5代镍基单晶合金： ≤1423K (1150℃) 迫切需要发展热障涂层材料技术 1代单晶高温合金，～1040℃ 无Re，已获得应用 2代单晶高温合金，～1070℃ 3%Re，已获得应用 3代单晶高温合金，～1100℃ 6%Re，试用中 4代单晶高温合金，1100℃ 6%Re，3%Ru，预研中 高温合金中每增加1%Re，价格增加1倍 高温合金的承温能力和价格受到挑战 显著提高发动机推力：高温合金能够承受更高的使用环境温度，提高涡轮前进口温度。工作温度提高14-15K，推力增加100kgf（总推力增加 1－2％） 降低热端部件温度：大幅度提高发动机寿命（表面温度每降低14K，相当于提高工件寿命一倍）和可靠性。 降低气体冷却量，降低耗油量，节省燃料。 提高热端部件耐冲刷和抗氧化腐蚀能力，在航天、兵器、船舶以及民用等多领域都具有广泛的应用价值。 J75涡喷发动机 第一代热障涂层 20世纪70年代 1、PW涂层 美国热障涂层材料及涂层工艺概况 第三代热障涂层 (PWA266) 叶片工作温度至少提高139K F119高压涡轮叶片温度提高150K PW2000 (Boing757) JT9D-7R4 (Boing747/767, A310) V2500 (A319/320/321) F100-PW-229 (F15/16) F119 (F22) 20世纪80年代末 YSZ柱状结构涂层寿命提高15倍以上 LPPS粘结层寿命提高2.5倍 2、GE--AE涂层 20世纪80年代末，开发PS TBCs 20世纪90年代末，开发EB-PVD TBCs 发动机导向叶片 发动机工作/导向叶片 YSZ (APS)/ MCrAlY (LPPS) YSZ (EB-PVD)/ PtAl YSZ (APS)/ MCrAlY (APS) YSZ (EB-PVD)/ Aluminide CF6-80一级工作叶片 A300/330 Boeing 747/767 F414 CF6-50二级导向叶片 Boeing 747 CF6-80二级导向叶片 A300/330 Boeing 747/767 CFM56-7一级导向叶片 Boeing 737系列 YSZ（Yttria Stabilized Zirconia） 7～8wt％YSZ是目前使用最广的热障涂层材料 高熔点（3000K以上） 低热导率（2～3 Wm－1K－1，块材） 较高热膨胀系数（～11×10－6K－1） 较低密度（～6.4g/cm3） 较低弹性模量（～40GPa） 高硬度（～14GPa） 热障涂层粘结层的主要制备方法 MCrAlY：