摘要 介绍了可磨耗封严涂层和热障涂层的研究现状,通过对二者发展共性的探讨,提出了开发一种广泛应用于燃气轮机及航空发动机部件上,既具有高温隔热性能又具有高温可磨耗性能的新型涂层。该新型涂层通过热障涂层的工作方式,能有效提高发动机部件的使用温度,并能以可磨耗封严的工作方式改善发动机的密封性能,最终大幅度提高发动机的燃气效率及使用寿命。通过对该新型涂层的概念、结构特点、实现方法以及优异性能的系统分析,指出了新型高温隔热可磨耗封严涂层的应用潜力及研究发展方向。
关键词 热障涂层 可磨耗封严涂层 等离子喷涂 空心氧化锆 非晶氧化锆
0 引言
现代社会追求能源使用的高效率、低消耗,提高发动机的工作效率,延长发动机的服役寿命是科学研究的目标。热障涂层、耐磨涂层、封严涂层等涂层系统的应用已成为提高发动机工作效率、延长发动机服役寿命的最主要方法。发动机叶片的使用温度从20世纪70年代的960~1100℃发展到目前商用飞机燃气温度1700℃[1],军用飞机燃气温度高达1800℃。相对于工作端温度的不断提升、服役环境的日益严酷,作为发动机部件的超强耐热合金基体所承受的温度却不足1100℃。在过去几十年发动机涂层的发展中,国内外的研究机构及专家学者针对高温热障涂层以及可磨耗封严涂层的材料体系、制备方法、微观组织结构、实际应用等方面进行了大量、深入的研究[2]。然而随着发动机结构的更新换代及燃气温度的不断升高,对应用于发动机热端部件的涂层系统也提出了使用温度更高、功能更复杂的要求。开发研究在高温条件下既具有高温隔热又具有可磨耗封严性能的新型涂层系统,有着巨大的应用研究潜力。这种新型的涂层系统在可磨耗封严保证发动机工作效率的同时还可大幅度降低工作端基体的工作温度和燃气损耗,延长机器的服役寿命[3]。本文通过介绍可磨耗封严涂层和热障涂层为匹配温度变化的发展过程及研究现状,指出了它们在高温条件下的发展共性,提出了一种应用于燃气轮机中,既可以在环境苛刻的高温部位具有高温隔热性能,又具有高温可磨耗性能的新型高温隔热可磨耗封严涂层的概念。对该种新型涂层的结构特点、实现方法以及优异性能进行了深入分析。探讨了其应用和发展前景,总结了下一步研究的重点及潜在的问题。
1 可磨耗封严涂层及热障涂层的研究与发展
1.1 可磨耗封严涂层的研究与发展
理想的可磨耗封严涂层系统应既有足够的强度抵抗外部颗粒及气体的冲蚀,又可以在叶片与涂层发生摩擦时被刮削,而且叶片尖端不磨损、涂层不脱落,同时缩小气路,封严间隙,减少高温燃气漏泄。因此,可磨耗封严涂层[4]必须具有优异的抗高温氧化性、长期的耐冲蚀性和优良的磨损性。
随着发动机和航空燃气轮机服役温度的逐步提升,已经发展了一系列的可磨耗涂层材料。在350~650℃的低温服役温度下采用AlSi/聚苯脂、AlSi/石墨、Ni/石墨、NiCuSi/石墨作为可磨耗封严涂层材料;在650~850℃的中温服役温度下采用金属/BN、Ni/Cr/硅藻土、Ni/硅藻土作为可磨耗封严涂层材料;在高于1000℃的高服役温度下,可用的可磨耗封严材料目前只有陶瓷(ZrO2、BN)涂层系统。但是,用于可磨耗封严的传统陶瓷(ZrO2、BN)涂层系统在长期服役的可磨耗性上存在明显问题。因此,通过改进ZrO2、BN陶瓷涂层的微观组织结构来解决高温陶瓷涂层可磨耗性差的问题意义重大。
1.2 热障涂层的研究与发展
第一代、第二代NiAl基铝化物和改进型铝化物热障涂层服役温度仅在700~800℃,作为热障涂层的开端在发动机上得到了突破性的应用[5,6]。随着发动机服役温度的进一步升高,对涂层性能提出了更高的要求。20世纪90年代,第三代陶瓷热障涂层(7%~8%Y2O3部分稳定ZrO2涂层)的发展成为热障涂层发展的里程碑[7],氧化锆基涂层具有更高的使用温度[8]、更低的热导率以及与镍基超强耐热合金相近的线膨胀系数。近10年国内外对纳米结构陶瓷热障涂层的研究[9,10]与应用使其成为目前一致认可的新一代热障涂层[11]。
发动机服役温度的提升是制约发动机发展的主要瓶颈之一。进一步降低热障涂层的热导率,提高热障涂层与基体之间的结合强度是解决这一问题的主要途径。经过几年来国内外专家学者的前期探索:适当提高陶瓷涂层的闭孔隙将大大降低热障涂层的热导率,同时利用钉扎实现孔洞对微裂纹扩散的有效阻止可进一步提高热障涂层的结合强度和延长使用寿命。
2 高温隔热可磨耗封严涂层的概念、结构特点及实现
2.1 高温隔热可磨耗封严涂层的概念及结构特点
热障涂层和可磨耗封严涂层的发展都遇到了在高温下服役需要大幅度提高性能的瓶颈问题。同时,新一代发动机部件对新一代涂层系统提出了既要具有优异的高温隔热性能又要具有良好的高温可磨耗性能的迫切需求。在本质上热障涂层和可磨耗封严涂层的高温应用有着一定的共性,即对陶瓷涂层孔隙结构及孔隙率大小的界定是将陶瓷涂层系统性能进一步提高的关键。
新型高温隔热可磨耗封严涂层即是通过控制陶瓷涂层的孔隙结构以及孔隙率的大小,最终实现陶瓷涂层隔热性能及高温可磨耗性能的有机结合和同步提高。新型高温隔热可磨耗封严涂层可以独立作为高温热障涂层和高温可磨耗封严涂层使用[12],同时还可以有效解决在新一代发动机部件中对既要求高温隔热又要求高温可磨耗封严涂层系统[13]的迫切需求。
2.2 新型高温隔热可磨耗封严涂层实现及微观结构
传统的氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末等离子体喷涂之后,制备涂层的孔隙率一般为2%~15%。具备高闭孔率、孔隙均匀分布、孔隙尺寸小等特点的涂层将同时提高高温服役时隔热性能及可磨耗性能,是下一代热障涂层和高温可磨耗涂层系统发展的交点,也是解决两类涂层系统发展瓶颈的关键所在。目前,可以实现新型高温隔热可磨耗封严要求的涂层孔隙结构特点的涂层系统的方法有:液体锆盐溶液注入等离子体喷涂、非晶氧化钇稳定氧化锆粉末等离子体喷涂和中空球形氧化钇稳定氧化锆粉末等离子体喷涂3种。
Padture等[14,15]在其专利及公开发表的文献中提及了以液相为原料通过对热等离子体喷涂设备进料部分改造最终制备出孔隙率高、孔隙分布均匀的陶瓷涂层的一种方法。但是,采用这种方法存在沉积效率低、涂层结合强度小、涂层厚度小等众多缺陷。同时,该方法需要对设备进行改造,设备改造投入大,不易实现。
林锋等[16]采用新型的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料为原料,通过大气等离子体喷涂制备新型高性能陶瓷涂层系统。该系统是纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的一种特殊的复合结构,其微观结构如图1所示。
Sulzer metco公司[17]和General electric公司[18]在其专利中提到了采用新型空心氧化锆陶瓷粉末进行等离子体喷涂,涂层具有涂层质软、多孔,气孔率大约在25%~30%的结构特点。相对于其他两种实现方式,这种方法更简捷、易行。
3 新型高温隔热可磨耗封严涂层性能分析
3.1 微观结构对涂层高温隔热性能的影响
涂层的多孔结构本身存在内孔[19],这种内孔的特殊性是:在制备涂层的过程中空心粉末经高温加热部分熔化、加速、撞击到粘接层上后被击扁而形成拉长的气孔,产生大量的闭孔隙。它们在微观涂层骨架中的并行排列一定程度上阻碍了本身陶瓷结构系统的连接。
3.2 微观结构对涂层高温可磨耗性能的影响
多孔结构涂层中存在一定的孔隙率,但这种涂层的热膨胀系数A与普通涂层类同,保证了多孔结构涂层在高温下服役的尺寸结构符合要求。另外,这种孔隙可以减小陶瓷层的杨氏模量,缓冲局部内应力,阻碍裂纹扩展,在密封可磨耗的服役状况下不易失效;而且,陶瓷层中特有的微裂纹,可以获得较大的应变能力,降低涂层的服役损耗,改善涂层的抗热冲击性能和服役寿命[21]。
3.3 微观结构对涂层其他性能的影响
Ke Peiling等[22]对已经制备的多孔结构涂层和普通氧化锆涂层进行了性能对比。在室温、1100℃(水冷)的热循环冲击实验中,随着实验的进行,涂层先在边缘处剥落,特别是在小孔的周围处继续进行,涂层进一步开裂,不断剥落。结果发现,普通YSZ粉热障涂层的热循环寿命不超过35次。而多孔YSZ热障涂层的热循环寿命超过154次,最高的循环寿命可达334次。这是因为与普通的涂层结构相比,多孔涂层结构的体积热容CV要低得多,这使多孔结构涂层在要求低体积热容-快速加热和冷却系统的使用环境中能够得到应用。
对于热冲击性能,情况要复杂得多。当多孔结构涂层的外表面与内部之间突然出现温度差时,热膨胀将导致孔隙产生热应变,相应的弹性应力与材料的弹性模量有关。在热膨胀系数A保持不变时,应力大小等于A与e的乘积,由于多孔涂层的弹性模量e是随相对密度的减小而减小的,当温度差一定时,孔隙率越高,则热应力越小。与普通涂层结构相比,多孔结构涂层由于其平台应力的存在,能够承受更大的压缩应变而不破裂,所以多孔结构涂层的抗热冲击性能优于普通涂层结构。
4 高温隔热可磨耗封严涂层的应用
4.1 高温隔热可磨耗封严涂层的应用部位
高温隔热可磨耗封严涂层材料在航空发动机上可直接作为高温热障涂层和高温可磨耗涂层应用,作为热障涂层和可磨耗封严涂层的传统应用部位如图2所示。
(1)作为传统可磨耗封严涂层应用
航空发动机应用部位:发动机叶片端部、压气机等。工作机制:叶片工作时高速旋转,可以密封住高温燃气,充分利用高温燃气作功输出动力,保证喷气式发动机的工作效率。
失效机理:叶片转动速度过快(约300m/s),导致叶片与壳体高速摩擦,无论壳体还是叶片损坏都将降低设备工作效率和服役寿命。
密封可磨耗封严涂层系统作用:在高速旋转机械的叶片和壳体之间形成理想的密封状态,充分密封住高温燃气的同时获得最大的流体动力压差并与壳体形成一对可磨耗的磨损副,以消耗自身的形式保护叶片的正常工作。
(2)作为传统热障涂层应用
航空发动机应用部位:发动机叶片表面、发动机燃烧室等。工作机制:与高温燃气充分接触,利用高温燃气作功产生动力转动,将化学能转化为动能。
失效机理:温度过高(约1500~1800℃)导致工作端在高温下失效、变形、断裂等。热障涂层系统作用:可以为零件提供有效隔热、抗氧化和耐腐蚀作用,在高温燃气与零件基体金属之间产生很大的温降,使基体在其可以承受的温度下服役,从而达到延长零件寿命、提高热效率的目的。
4.2 高温隔热可磨耗封严涂层的应用前景
随着工作温度的进一步提升,燃气轮机涡轮机部位、压气机部位和更多发动机工作端也都需要在更高的温度下服役,基体表面均需要借助这种新型涂层才能正常工作。另外,服役温度上升的同时,叶片转动速度进一步增加,无论是在旋转叶片的表面和尖端,都需要应用兼具高温隔热和可磨耗封严两种性能的涂层,所以应用新型高温隔热可磨耗封严涂层服役是不可或缺的。
4.3 高温隔热可磨耗封严涂层应用失效问题分析
由于多孔氧化锆涂层厚度的增加,其抗热震能力下降,为改善涂层的抗热震性能,开展了多孔氧化锆微观结构的研究。Ghislaine Bertrand等[23]对制备的多孔氧化锆陶瓷涂层进行抗热震试验得出:热障涂层的抗热震能力下降,并不能简单地解释为孔洞的存在[24,25]。影响多孔氧化锆涂层抗热震性能下降的主要因素是微裂纹[26],在服役过程中,涂层往往因为微裂纹的扩展而失效。因此,为提高多孔氧化锆涂层的性能,在喷涂过程中避免所谓的变冷是工艺关键。提高基体的预热温度[27]是一个提高多孔氧化锆涂层抗热震性能的研究方向。但基体所要求的预热温度较高,只能是处于实验室中的试验阶段。另一种方法是利用涂层中的孔洞对微裂纹进行钉扎,阻止微裂纹的扩展,严格控制工艺[28]制备孔隙率适当的涂层是开发研究这种新型涂层的工作重点。
5 结语
科技发展要求设备工作温度大幅度提升,导致了工作组件对涂层性能要求的不断提升,航空航天领域及燃气轮机的工作端发展遇到的瓶颈都迫切地提出需要一种新的功能热障涂层:既能在高温下长期服役[29],在工作基体与工作端直接形成大幅度的温降,以获得更好的隔热效果[30],保证基体在较低的温度下正常工作,又可以密封住高温燃气,获得最大的流体动力,工作时以可磨耗的形式消耗,从而保证工作组件的服役寿命,提高工作效率。所以,新高温材料的发展方向应该是这种既有高温热障涂层性能又有高温可磨耗封严性能的新型高温隔热可磨耗封严涂层。二者的统一不仅能解决目前存在的高温服役问题,而且对以后设备的设计以及研发提供了有力的技术支持和性能保证。
采用等离子体喷涂工艺,以非晶氧化锆及多孔氧化锆陶瓷粉末材料为原料,通过调节工艺达到对多孔结构陶瓷涂层微观结构的控制是制备这种新型涂层的关键。目前,国际上对于该类材料及涂层的研究尚处于研发阶段。在国际上,首先采用自有的专利技术在先进的航空发动机上实现新型高温隔热可磨耗封严涂层的实际应用,具有巨大的科学研究价值和市场应用价值;并且在该领域形成特有的技术优势,也具有巨大的经济效益及社会效益。
参考文献略
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