二氧化锆热障涂层在航空发动机上的应用分析
［摘要］ 航空发动机正在向高性能、长寿命、高可靠性、低成本的目标发展，热障涂层是实现这一目标较为理想的技术之一。文中介绍了氧化锆基热障涂层材料的性能及应用。
关键词：发动机 等离子 热障涂层
近年来随着航空发动机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，发动机热端部件，特别是燃烧室中的燃气温度和燃气压力不断提高，如燃气压力已提高3倍，燃气温度已超过1650℃，预计将达到1930℃。这样高的温度远远超过现有合金的熔点。因此，必须采用相应措施，一方面改进冷却技术，以降低燃烧室壁与燃气接触的温度，例如采用压层式结构、气膜冷却技术，或者采用新型高温合金；另一方面是在现有耐热合金材料表面上喷涂热障涂层(TBC)。
喷涂热障涂层在国外航空发动机热端部件的制造方面应用十分普遍。几年来随着我国航空发动机制造技术的发展，特别是喷涂材料及喷涂工艺的研究和发展，使热障涂层在新老发动机的延寿方面得到了一定的应用。
近年来，在发动机的关键研制过程中，经常出现高压一级涡轮导向器叶片进气边烧蚀、加力燃烧室隔热屏烧蚀变形和出现裂纹的故障，直接影响发动机的可靠性和寿命，影响发动机的研制进程。为解决这一关键，我们几经试验，决定采用新型二氧化锆热障涂层喷涂技术。实践证明，这种热障涂层的涂层材料及喷涂工艺都是成功的，基本消除了导向器烧蚀、加力隔热屏变形及出现裂纹的故障。
1 涂层方案的选择
针对热端部件烧蚀、热变形、热裂纹故障，我们选定了二氧化锆为基的隔热涂层。
选择热障涂层的材料应具备下述基本性能：(1)热导率低；(2)膨胀系数与金属基材接近；(3)具有高温稳定性；(4)具有高温耐腐蚀性；(5)耐磨粒磨损。
通过几年来的试验研究，对二氧化锆基隔热涂层的具体结构采取了如下实施方案：
(1)采用钇稳定氧化锆或CeO2-Y2O3-ZrO2三元氧化锆TBC材料；
(2)采用NiCrAlY合金为底层；
(3)采用双层涂层系统。双层热障涂层构造。
1.1 氧化锆材料特点
纯净的ZrO2有3种晶型：单斜晶(M)、四方晶(T)和立方晶(C)，转化条件如下：
单斜晶950～1220℃600～950℃四方晶2370℃立方晶2500～2600℃液相
M型、T型转变是可逆的，但从高温型转变为低温型有明显的滞后效应，转变时出现4%左右的反常膨胀，使氧化锆制品炸裂。因此不能用纯净的氧化锆制造技术产品，必须氧化锆晶型稳定化，转变为C-氧化锆，不再发生低温型和高温型转化，一般需加入某些CaO，MgO,Y2O3作为稳定剂。
1.2 二氧化锆涂层对金属壁温的影响
氧化锆涂层的热导率为0.5～1.4W/m.℃，而NiCrAlY层热导率为5～16W/m.℃。作为燃烧室内衬试验表明，涂层明显降低金属衬的温度。从火焰辐射来看，由于陶瓷层比裸露的金属壁具有更大的反射率，所以会产生很大的温降。
1.3 涂层性能试验
利用METCO7M型等离子喷涂设备对表1中几种涂层粉末进行了系统的喷涂工艺试验及性能测试，各种涂层的性能列入表2。
2 应用
(1)在加力燃烧室加力锥段隔热屏内表面喷涂了三元热障涂层。此段隔热屏是工作条件最恶劣，温度最高，故障最多的零件。
在加力燃气温度约2000K时，隔热屏工作温度一般为1000～1100℃，个别点可能更高。
涂有三元涂层的锥段隔热屏的加力筒已进行了5次台架试验，共开车374次，总计工作时间为112h，其中加力工作时间为14h22min低循环疲劳试车，稳状工作时间短，循环次数多，发动机的冷热疲劳负荷大，涂层工作条件更为苛刻。经过以上试验后锥段隔热屏的涂层依然完好无任何剥落，锥屏也无任何变形或裂纹。由此可以看出，该氧化锆三元TBC涂层稳定可靠，特别是对保证工作温度高，振动应力大，疲劳强度
高，燃气冲刷严重的大型薄壁类零件的安全稳定工作是非常适宜的。试验表明，该三无TBC涂层结合强度高，具有良好的抗热冲击性能，能满足航空发动机加力燃烧室的使用要求。
(2)采用等离子喷涂NiCrAlY底层(0.1mm)和Y2O3稳定的ZrO2(0.2mm)作为一级导向叶片面层的热障涂层。一级导向叶片工作条件恶劣，温度高，温度场不均匀，燃气冲刷十分严重，气流速度高达300m/s以上。正常工作温度1200～1250℃无涂层时，长期试车不到150h叶片进气边产生严重烧蚀与变形。采用该TBC涂层经150h，试车后叶片无烧蚀和变形，涂层表面完好，无脱落。
3 结论
(1)采用熔化-粉碎法制备的401，403二氧化锆三元热障涂层材料具有较好的流动性能和沉积效率，材料性能与国外同类样品相近。
(2)涂层试验表明，二氧化锆三元TBC热障涂层显示了良好的结合性能，较大的热膨胀系数，改善了与金属基材的适应性，在1050℃下具有优良的抗热震性能和隔热性能。
(3)二氧化锆三元热障涂层经长期试车考核，喷涂在加力燃烧室和一级导向叶片的热障涂层，表现出优良的抗热冲击性能及很好的结合强度，工作稳定可靠，满足了航空发动机的要求。
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