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航-空-发-动-机-叶-片-涂-层

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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

andvane)。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

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Fig.1Comparativeprepertiesofpolycrystal,columnarandsingle-crystal

superallys

动机叶片。从图1看出:使用单晶后,蠕变和热疲劳提高9倍,但抗

腐蚀性只提高4倍,增加涂层仍十分必要。

涡轮叶片的涂层的方法很多,常用的有热渗、磁控溅射、热喷涂

三种,热渗法方法简单方便,成本低,也是最适合叶片内腔涂层的方

法。

热渗法属于化学热处理,利用高温的方法将化学原子扩散注入到

基体金属中,并在其表面沉积均匀的保护膜。根据使用原料的状态的

不同,又可分为固体粉末包埋法、气相法、液相法和浆料法,其中固

体粉末包埋法、气相法用得最广。热渗涂层原理简单,但工艺控制方

法是关键,我国已有相关部门在进行这方面的研究,但从公布的图片

看,仍有差距;国外对军工涂层技术也是封锁的。下面谈GE和

Siemens两家世界最大的燃气轮机生厂家的有关情况。

GE的燃气轮机不仅用于民用发电,也应用于美国军事飞机、和

海军舰艇。图2为GE不同涂层的性能对比图。1968年GE研发了

TF39涡轮风扇发动机,并应用于C-5“银河”远程重型运输机上。

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Fig.2Comparativeresistanceintypesofcoatings

1969年GE以TF39涡轮风扇发动机的核心机为基础,研制新型

LM25OO燃气轮机样机,LM2500的输出功率达到了25500马力(1875

5千瓦),效率达到了35.5%,首次装于31艘8040吨的“斯普鲁恩

斯”级导弹驱逐舰,最大航速达到33节

M25OO燃气轮机的燃气发生器涡轮转子由一个锥形前轴、两个带

叶片和护圈的涡轮盘、一个圆锥形转子隔板、一个热屏蔽和一个后轴

组成,两级涡轮叶片均为长叶柄、内冷却式结构,叶根为机树形。长

叶柄叶片不但为冷却空气提供了通路,而且因为较高的阻尼作用减小

了振动,轮盘外缘的温度也降低了。叶片成对地钎焊在一起,材料为

Rene80钴基合金,表面渗有抗腐蚀、抗氧化的钴铬铝钇保护层。动

力涡轮的6级工作叶片全部为带冠结构,抗振性能好,效率高,用耐

腐蚀材料Rene77合金制造,前3级工作叶片表面还涂有防腐蚀涂层。

导向器叶片的前3级也是用Rene77合金制造,后3级则改为用Rene

41合金

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