热障涂层性能检测技术发展现状

1 前言提升涡轮进口温度是提升航空发动机推重比的重要途径.国内外研究表明,在维持其他条件不变的前提下,涡轮进口温度每升高50℃,可提升航空发动机推力7%~8%.随着技术不断发展,当前最先进的涡扇航空发动机的涡轮进口温度已经超过1900K,该温度远超常用高温合金材料的熔点.因此,如何提升航空燃气涡轮发动机热端部件的耐高温性能成为航空发动机发展的焦点问题之一.从20世纪50年代至今,国内外众多科研工作者针对这一问题开展了大量研究,最终形成了提高航空发动机涡轮叶片耐久性与可靠性的3大技术:高温合金等耐高温结构材料技术、高效气冷技术以及热障涂层技术.     

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究进展

涡轮叶片的热障涂层技术是保障和提升航空发动机性能的关键技术之一，涡轮叶片的工作环境要求热障涂层需要具备隔热性能好、热膨胀系数与基材相匹配、抗氧化性能好、抗熔盐腐蚀性能好等一系列特点，这对热障涂层的材料、结构以及制备工艺提出了巨大的挑战，是当前航空发动机领域的热点研究之一。本文对构成热障涂层的金属粘结层和陶瓷层材料，以及热障涂层体系结构的研究现状做了详细介绍，并简要介绍了常用的热障涂层制备方法，展望了金属粘结层和陶瓷层材料体系和制备技术的发展趋势，以期为未来航空发动机涡轮叶片热障涂层体系的构建提供有益参考。     

热障涂层服役温度测试与隔热机理

热障涂层(TBC)被用于航空发动机涡轮叶片表面的热防护,主要由粘结层和陶瓷层组成,准确测量陶瓷层表面与粘结层/陶瓷层界面温度分布对指导涂层高隔热结构设计与制备具有重要意义。现有非接触式与接触式测温技术可测量表面温度,接触式测温技术可测量界面温度。主要介绍了3种用于测量航空发动机涡轮叶片表面温度的技术,其中,适用于TBC表面测温的包括以光学原理为主的红外辐射、荧光、晶体、光纤测温技术;以热致变原理为主的示温漆测温技术;适用于TBC界面测温的以热电原理为主的填埋式热电偶、薄膜热电偶测温技术,并介绍了其测温的原理、优势和局限性。进一步对TBC隔热机理及性能优化进行了介绍,并对TBC表/界面测温技术及涂层结构设计方向进行了展望。     

陶瓷涂层在航空发动机涡轮叶片表面处理中的应用

从涂层材料、制备方法、涂层特点及存在的问题等几个方面介绍了作层技术的研究和发展状况,并针对航空发动机涡轮叶片,在分析了陶瓷涂层作为叶片热障涂层的应用研究状况和效能的同时,提出在叶片易磨损部位的修复中应用陶瓷涂层以及直接用陶瓷涂层作为叶片耐磨涂层的设想。     

陶瓷基复合材料激光加工工艺研究获进展

正航空、航天发动机的推重比与其热端部件的工作温度密切相关。长期以来,工程界致力于发展高温合金以提高工作温度。发动机的核心热端部件主要包括燃烧室、涡轮和加力燃烧室。下一代航空发动机的推重比大于12,要求提高热端部件的工作温度到接近2000K。这要求更新设计,使用陶瓷基复合材料(CMC)、单晶叶片等新材料和     

热障涂层陶瓷材料的研究现状及发展趋势

热障涂层陶瓷材料的研究是开发适用于下一代高性能航空涡轮发动机热障涂层体系的关键,也是未来热障涂层技术发展的重要方向之一.可用作热障涂层陶瓷材料的主要有用Al2O3、Y2O3等稳定剂稳定的ZrO2、稀土锆酸盐和一些具有钙钛矿结构的氧化物(石榴石、独居石以及LaMgAl11O19等),综述了上述热障涂层陶瓷材料的热物性能和力学性能,对其研究现状及发展趋势进行了分析和探讨.     

基于内聚力模型的热障涂层失效行为研究

热障涂层以其优异的隔热、耐磨和耐蚀性而被广泛应用于航空涡轮发动机中,其能够提高发动机的热效率和延长涡轮叶片的使用寿命。热障涂层的失效往往是裂纹扩展导致,其主要失效形式为表面开裂和界面分层失效。针对热障涂层的裂纹扩展行为,最重要也最直接的研究方法就是对热障涂层的整个损伤失效过程进行数值模拟,以便深入了解涂层失效过程及失效机理。内聚力模型能够比较精确地描述界面开裂问题,在一定程度上可减轻甚至消除裂纹尖端的应力奇异性,可以模拟任意裂纹扩展,故而在裂纹扩展研究中得到了广泛应用。采用内聚力模型模拟热障涂层表面开裂和界面分层失效的过程中,通常把内聚力单元预埋在可能出现裂纹的实体单元之间,当材料发生破坏时,裂纹就会沿着内聚力单元排布的方向形成和扩展。然而造成热障涂层损伤失效的因素较多,失效机理复杂,以及内聚力模型本身的缺陷性,使得利用内聚力模型模拟热障涂层失效过程的研究还不够全面。目前已经通过内聚力模型实现了热障涂层的损伤失效过程模拟,包括表面开裂过程和界面分层失效过程。当前研究大多忽略了涂层内部的微细观缺陷而将热障涂层视为均质材料进行研究,并且内聚力模型本身还存在一些问题,如参数的确定等。随着热障涂层的发展以及对内聚力模型认识的不断加深,内聚力模型模拟热障涂层损伤失效过程也在不断发展与完善。在表面开裂模拟方面,通过在陶瓷涂层内垂直嵌入内聚力单元来模拟陶瓷层内表面裂纹的扩展行为。陶瓷涂层内裂纹扩展行为的模拟大多采用扩展有限元法,内聚力模型的应用相对较少,而内聚力模型可有效解决界面开裂问题,特别是粘结层/陶瓷界面开裂问题,故而被广泛应用于热障涂层界面失效问题的研究中。本文对内聚力模型进行了简要介绍,总结了内聚力模型在模拟热障涂层损伤失效过程方面的研究进展,指出了当前研究中存在的问题并对其下一步的发展进行了展望。     

热障涂层的研究进展与发展趋势

热障涂层一般由金属粘结层和具有低热导率的陶瓷顶层组成,应用于涡轮发动机的热端部件可显著提高其使用温度,延长部件的使用寿命,提高发动机的效率.综述了热障涂层的成分选择、制备方法及等离子喷涂和电子束物理气相沉积2种热障涂层的典型结构,分析了热障涂层的剥落失效机理,并简单介绍了热障涂层的寿命预测模型和隔热特性的研究.     

MCrAlY金属黏结层高温失效行为研究进展

随着航空发动机与燃气轮机涡轮进口温度的不断提高,MCrAlY(M=Ni,Co或NiCo)包覆型涂层因具有抗高温氧化以及高的热膨胀系数等优点,成为广泛应用的热障涂层金属黏结层材料。然而,高温服役环境下热障涂层中金属黏结层与陶瓷面层界面应力分布状态愈加复杂,黏结层界面失效导致陶瓷面层的剥落,限制了其在热防护涂层领域的发展。本文简述了黏结层的发展进程,重点阐述高温相转变、热应力和生长应力增加以及S元素扩散等因素导致的黏结层界面的失效行为,分析黏结层界面失效机理,归纳总结了国内外针对金属黏结层界面失效的改进研究工作,并在此基础上提出采用稀土及纳米颗粒协同强化MCrAlY材料,为未来热障涂层体系的优化设计提供了研究方向。     

航空发动机涡轮叶片超温服役损伤的研究进展EI北大核心CSCD

涡轮叶片是航空发动机的核心热端部件之一,其安全服役对航空发动机的正常运行至关重要。当发动机遭遇非正常工况时,涡轮叶片的服役温度可能急剧上升并超过正常工作允许温度,即发生超温服役。超温可使叶片遭受严重的组织退化,导致叶片提前失效。本文介绍了航空发动机涡轮叶片过热检查和失效分析的方法,详细阐述了超温服役对显微组织与力学性能影响的研究进展。此外,本文还对高温合金超温服役损伤评价、寿命预测和组织修复提出了展望,为叶片服役评价与失效分析及新型高温合金的研制提供了参考借鉴和理论依据。     

先进航空发动机热障涂层技术研究进展

评述了先进航空发动机热障涂层技术的重要意义.介绍了近年来国内外在热障涂层材料、涂层制备技术等方面的研究进展,最后展望了下一代高性能航空发动机热障涂层的研究和应用前景.     

二氧化锆热障涂层的性能与应用

近年来,等离子喷涂二氧化锆热障涂层在航空及工业用燃气轮机上的应用已有很大进展,在一定限度内已经用于燃气轮机的涡轮部分。由于这种涂层可以降低气冷高温部件的温度50～200℃,因此可以显著地改善高温部件的耐久性,或者容许提高燃气温度或减少冷却气体的需用量而保持高温部件目前所承受的温度不变,从而提高发动机的效率。许多研究工作正在继续进行,以期进一步认识、改进及标定涂层的性能。本文将评述这方面的研究工作,简述二氧化锆热障涂层的性能与应用。     

先进航空发动机涡轮盘制备工艺及其关键技术

发动机技术复杂、难度大,是制约飞机制造业发展的瓶颈问题。涡轮盘是航空发动机涡轮、燃烧室和压气机3大关键部件的核心零件,其性能直接决定发动机的整体性能。随着科学技术的进步,航空发动机的推重比越来越高,涡轮前温度越来越高,同时发动机要求高性能、长寿命、高可靠性、低成本,这些极大地推动了涡轮盘等关键零部件的研究、开发和生产必须在科学技术创新的基础上采用先进材料、先进制造技术和先进设计理念和规范。     

应用于航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料研究

热障涂层材料(TBC)能够应用于航空发动机涡轮叶片等许多尖端领域,这种材料是一种能够缓冲外界热量进入表面合金的低热导率材料。研究表明,空气是一种近乎最低的低热导率材料,所以在热障涂层材料中加入空气能够有效提高热量缓冲作用。将采用感应耦合等离子体(ICP)深沟刻蚀硅的表面,在金属钛表面电解氧化形成多孔的氧化层薄膜以及泡沫铜、泡沫镍的多孔结构来系统阐述这一理论的可行性。使用了扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和热导率测量仪对微观形貌和热导率进行了表征测量,并利用计算机仿真对多孔结构进行了进一步的热传导性能分析。     

热障涂层材料的研究进展

热障涂层技术广泛用于航空涡轮发动机等尖端领域,相关的研究涉及新型热障涂层材料的开发、粘结层成分和表面结构的优化、高温氧化后热生长氧化物(TGO)或TGO/粘结层(BC)界面处残余应力水平的检测、新型涂层制备工艺的开发等诸多方面.主要阐述了时7-8YSZ热障涂层材料的改良、烧绿石结构材料的开发、超音速微粒轰击粘结层表面细...     

CMAS环境下电子束物理气相沉积热障涂层的热循环行为及失效机制

航空发动机涡轮叶片工作时表面经常产生CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂(简称CMAS)等沉积物。本文中研究了电子束物理气相沉积(EB-PVD)制备ZrO₂热障涂层(TBCs)在CMAS环境下的热循环行为及失效机制。结果表明, 在1200℃热冲击条件下, 表面涂覆CMAS的热障涂层的热循环寿命低于100次, 而未涂覆CMAS的涂层寿命达到500次以上, CMAS 的存在加速了热障涂层的剥落失效。在1200℃经过210次循环后, ZrO₂陶瓷层与CMAS之间形成了约8 μm厚的互反应区, 其形成主要与CMAS中Ca²⁺内扩散有关。CMAS环境下热障涂层陶瓷层产生大量横向裂纹, 涂层的失效主要以陶瓷层片状剥落为主。     

航空发动机材料的现状和发展

航空发动机实际上是一种产生强大推力的高温气体发生器,它把燃油中的热能转变为机械能和电能,并使气体加热膨胀,产生强大的动力。 作为航空用途,对于发动机的重量及飞行阻力还有更高的要求,因此,常用推重比以及推力和迎风面积比来衡量发动机性能的优劣。而对于发动机材料,不仅要求具有所必须的成分和力学性能,而且要求在燃油燃气腐蚀环境中具有足够的可靠性。 新型航空发动机设计时的要求,仍然是功率大,油耗少,成本低,工艺性好等。为了满足这些要求,增大推重比以及推力迎风面积比便是至关重要的。降低成本的关键在于延长发动机的使用寿命,而降低油耗,增大推重比的途径为简化压气机,减少级数,加大负载,提高温度,最终是提高发动机的热效率。 提高发动机热效率的办法是提高空气压缩比和提高涡轮进气温度。图1a为空气压缩比和涡轮进气温度对发动机热效率的关系曲线。     

Laves相合金的力学性能

不断提高航空发动机的效率和推重比是航空技术发展的要求，而发展高温结构材料是提高航空发动机效率和推重比的关键因素。由于镍基高温合金的使用温度已达到其熔点的0．8～0．9倍，继续提高其使用温度的空间已很小，故提高发动机的工作温度就必需开发能承受更高温度的新材料，即发展新型高性能高温结构材料。     

陶瓷基复合材料或将革新航空发动机工作效率

正NASA正在寻求改变未来商用飞机的机遇,更有效的发动机是核心。为了实现未来飞机用上更好的发动机的目标,NASA的研究人员正在研究有前景的涡轮发动机部件高温材料。这些金属,被称为陶瓷基复合材料或CMC,更轻、更强,且能够给承受喷气发动机核心部件的极端高温环境下的受力要求。陶瓷基复合材料将替代目前在航空发动机中应用的镍基高温合金。总的来说,发动机工作温度越高,燃油效率更高。近年来,由于金属部件采用了热障涂层,发动机工作温     

国外燃气轮机涡轮叶片低温热腐蚀的防护

本文概述国外燃气轮机涡轮叶片低温热腐蚀及其防护的发展。提出提高叶片抗蚀性能的主要措施是选用抗腐蚀的材料以及使用ＭＣｒＸ型涂层。新一代的抗蚀陶瓷热障涂层正在发展之中。