航空发动机用高温防护涂层研究进展_李民

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【1】航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状【2】概述航空发动机是现代航空运输的核心组件，而涡轮叶片则是发动机中最重要的零部件之一。

涡轮叶片承受着高温高压的工作环境，需要具备优异的耐热性和耐腐蚀性能。

为了提高涡轮叶片的寿命和性能，热障涂层技术应运而生。

本文将对航空发动机涡轮叶片热障涂层的研究现状进行探讨。

【3】热障涂层的作用热障涂层技术是通过在涡轮叶片表面涂覆一层耐高温材料，形成热障层，以减少叶片表面的工作温度，提高叶片的耐热性能和抗氧化能力。

热障涂层能够有效减少涡轮叶片的热应力和热疲劳损伤，延长叶片的使用寿命，并提高发动机的工作效率和可靠性。

【4】热障涂层研究的发展历程热障涂层技术在航空领域的发展可以追溯到上世纪50年代，最初采用的是金属涂层。

然而，金属涂层存在着氧化、粘结力差等问题，限制了其应用。

随着陶瓷涂层材料的研究和发展，陶瓷涂层逐渐取代金属涂层成为主流。

目前，热障涂层的研究重点主要集中在材料性能的优化、工艺改进以及涂层与基底材料之间的耦合问题等方面。

【5】热障涂层材料的选择航空发动机涡轮叶片的热障涂层材料需要具备优异的耐高温性能、热膨胀系数匹配性和抗氧化能力。

目前常用的涂层材料主要有氧化铝、氧化锆和复合材料等。

不同的涂层材料具有各自的特点和优势，在应用中需要根据具体的工作环境和性能要求来选择合适的材料。

【6】研究热障涂层的关键技术热障涂层的研究涉及到材料制备、涂层工艺、热处理和性能评价等多个方面。

其中，材料制备的关键技术包括热喷涂和物理气相沉积等方法，涂层工艺的关键技术包括预处理、喷涂参数控制和后处理等。

涂层与基底材料之间的耦合问题也是热障涂层研究中的一个重要方向。

【7】热障涂层的性能评价热障涂层的性能评价主要包括热稳定性、热膨胀性、抗氧化性和机械性能等指标。

常用的测试方法有热循环试验、热膨胀系数测试、高温氧化试验和机械性能测试等。

通过对涂层性能的评价，可以为进一步改进和优化涂层设计提供参考和依据。

中国突破多个高推重比航空发动机研制瓶颈(图)1中国石墨烯“膜时代”的开创者——记中航工业航材院石墨烯中心何利民博士(之一)2013年初，一则消息轰动了全中国：中航工业航材院率先突破制备大尺寸、高质量石墨烯膜的技术难题，使大尺寸、高质量石墨烯膜的工程化制备成为现实，标志着中国石墨烯研究进入了“膜时代”。

而开创石墨烯“膜时代”的人，正是中航工业航材院石墨烯及应用研究中心何利民博士。

何利民是高温防护涂层领域绝对的领军人物。

自2004年归国工作以来，他率领团队突破了发动机涡轮叶片热障涂层关键材料、制备工艺和工程化应用等制约高推重比航空发动机研制的瓶颈，在国内首次通过了航空发动机工作叶片的地面试车考核，满足了我国高推重比航空发动机研制的需求，大大提升了我国在热障涂层领域的技术水平。

2011年，何利民所在的团队从国外引进一台先进的化学气相沉积(CVD)设备，引进该设备的初衷主要是用于叶片等的内腔涂层涂镀。

在一次阅读文献时，何利民偶然发现，石墨烯材料的制备过程可以利用CVD设备来实现！如果能利用自己的设备成功制备出性能优异的石墨烯材料，那将在新的技术革命中成为领头羊！想到这一点后，他激动得夜不能寐。

对何利民来说，石墨烯材料是一个他从未涉足的新领域，这其中的困难可想而知。

没有基础？那就从零学起！每天下班后，他总是在办公室查阅关于石墨烯的文献，一看就是一整晚。

最初的失败在所难免，但他的斗志和意志从未退缩。

他总结经验，积极寻找失败的原因，不断修正研究方案。

功夫不负有心人，通过集智攻关，他带领团队终于攻克了反应源气体与载气分压配比、CVD反应室炉温均匀性、转移介质和载体匹配性、目标物与石墨烯薄膜兼容性等CVD技术制备石墨烯的四大难题，在国内首次成功利用CVD设备制备出了完整、均匀的石墨烯膜。

用CVD制备出的石墨烯膜，透光率可达90%以上，电阻400~600欧姆之间。

通过这次突破，何利民带领团队正式推开了石墨烯膜制备的神奇之门。

高速磨损下的航空发动机涂层性能研究
自工业革命以来，航空发动机的发展一直处于高速发展的阶段。

为了保障发动
机的运行质量和寿命，涂层技术被广泛地应用于航空发动机上。

然而，在高速运转过程中，发动机表面会受到极大的磨损和腐蚀，影响涂层的性能和寿命，因而加强对涂层性能的研究具有重要的现实意义。

目前，采用涂层技术可以有效地提高航空发动机的性能和寿命。

经过多年的研究，一种新型的涂层材料——氧化铝被广泛应用于航空发动机。

氧化铝涂层具有独特的韧性、抗侵蚀性和抗高温性能，使其在航空发动机上的应用得到了广泛的推广。

然而，航空发动机在高速运转过程中，表面会受到极大的磨损和腐蚀，对涂层
的性能和寿命产生影响。

因此，如何防止涂层表面的磨损和腐蚀，成为当前涂层研究的一个重点。

对于涂层性能的研究，涂层的高温熔融性是一个重要的指标。

在高速运转的环
境下，航空发动机的表面温度达到了几百摄氏度，涂层必须能够承受高温熔融的考验。

除此之外，还需要对涂层表面的硬度和耐磨性进行研究。

在涂层的制备过程中，采用了一系列的工艺，包括热喷涂、磁控溅射和电弧喷
涂等。

每种工艺都有其优点和缺点，阶段研究应该根据不同的涂层材料的特性和要求，进行有针对性的选择，并不断进行技术改进。

为了使涂层更加环保、安全，我们还需要对涂层材料的毒性和成分进行研究。

在涂层施工时，应该采取相应的安全措施，避免对人员和环境造成污染和危害。

总之，目前航空发动机涂层性能的研究已经取得了很大的进展，但是还需要进
一步深入研究，对涂层材料的性能和成分进行更加系统而全面的研究，以提高航空发动机的性能和寿命，为社会发展做出贡献。

航空发动机热障涂层技术研究进展随着高性能航空发动机的研制，热障涂层技术成为提高发动机性能的关键技术之一。

对热障涂层材料体系和制备工艺进行了对比，认为电子束物理气相沉积技术在未来热障涂层的研制中具有较大潜力。

并且针对1100℃条件下热循环试验中涂层失效进行了分析，表明TGO层在对涂层寿命具有很大的影响。

标签：热障涂层；金属粘结层；等离子喷涂；电子束物理气相沉积；高温热循环前言进入21世纪以来民用航空的需求越来越大。

到2030年，我国仅150座级干线客机就需要800架左右。

发动机是飞机的心脏，大涵道比涡扇发动机是自主研制大型商用飞机的关键，而且民用航空发动机又是航空动力产业的重要支柱（国外民用发动机产值已达总产值的80%），因此大涵道比涡扇发动机市场巨大，经济、军事、社会效益显著。

目前，西方航空技术先进国家开始着手制定和实施一系列有关民用发动机的研究计划，旨在进一步减小噪音、减少NOx和CO2等污染物的排放，降低成本。

热障涂层技术是解决上述问题的有效技术手段之一。

热障涂层技术是目前解决上述问题的有效技术途径之一[1-4]。

热障涂层主要由陶瓷涂层（通常为Y2O3稳定的ZrO2陶瓷（YSZ））和中间的粘接层（通常为MCrAlY涂层或Pt改性的铝化物涂层）组成。

商用航空发动机热障涂层技术与军用航空发动机相比，具有很大不同，对安全性、寿命以及经济性上要求较高，本文针对商用航空发动机热障涂层技术特点，对目前的涂层体系、制备工艺进行了比较，并且开展了热障涂层的失效模式的研究。

1 金属粘结层热障涂层为双层结构，金属粘结层的作用主要体现在提升基体的抗氧化和抗腐蚀性能，缓解热应力导致陶瓷层与基体之间失配等问题，主要分为包覆型金属粘结层和扩散型金属粘结层[5]。

1.1 包覆型金属粘结层包覆型金属粘结层主要采用MCrAlY体系的涂层[6]，制备工艺有真空电弧镀、真空多弧镀、磁控溅射、超音速火焰喷涂等。

包覆型金属粘结层具有制备工艺简单，涂层表面状态较好，涂层对合金基体性能影响较小，涂层材料成分与厚度可适当放宽，因此涂层与基体的結合强度较高，是国外先进航空发动机公司采用较多的一种金属粘结层。

ｒ蜉掳专题综述‰黝热障涂层高温抗氧化性能研究的现状及发展中国民航大学（天津市３００３００）纪朝辉王敏转王志平冯日宝摘要热障涂层是目前最为先进的高温防护涂层之一，它具有良好的隔热效果与抗高温氧化性能。

文中从热障涂层的制备工艺及其长期在高温腐蚀的恶劣环境下的失效机制等方面，综述了热障涂层在高温环境下服役时，在粘结层和陶瓷面层之间生成一层热生长氧化物，热生长氧化物生成与生长如何导致涂层失效及如何改善高温抗氧化性能研究的热点问题，在此基础上提出了作者关于如何提高涂层抗氧化性能的一些新观点。

关键词：热障涂层抗高温氧化性能热生长氧化物中图分类号：ＴＧｌ７２．６．曲古耐高温合金基体（Ｓ：ｓｕｂｓｔｒａｔｅ），以及在ＴＣ与ＢＣ间的。

刖目ＴＧＯ，如图ｌ所示。

ＴＣ具有熔点高、导热系数低的特近年来，随着航空航天及民用技术的发展，热端部点，起隔热作用，厚度一般为０．１～０．２ｍｍ，成分多为件的使用温度要求越来越高［１．２］，在发展新型合金和冷ＭＣｒＡＩＹ合金的ＢＣ，主要用于改善涂层和基体的物理却技术的同时，采用等离子弧喷涂（ＡＰＳ）口１或电子束相容性，增强Ｔｃ与ｓ的结合力，缓解Ｔｃ—ｓ界面的热物理沉积（ＥＢ—ＰＶＤ）Ｈ］，在高温热端部件上施加具有应力、相变应力和机械应力¨１，以及其上的ＴＧＯ起抗抗高温氧化和隔热功能的热障涂层是近年来国际高温氧化作用，基体合金则承受结构载荷，每一部分都是动涂层领域最活跃的研究课题。

陶瓷热障涂层长期工作态相对独立的。

在制备和服役过程中，ＴＣ，ＢＣ，ＴＧＯ以在高温氧化气氛中，它的高温抗氧化性能是关系到涂及Ｓ的相互作用与变化影响整个系统的性能和寿命。

层使用寿命的关键因素。

为提高热障涂层的使用温度和延长其使用寿命，世界各国投入大量的人力和物力在热障涂层的陶瓷材料、粘结层材料、涂层结构、制备工艺及涂层失效机理等方面进行了大量研究。

文中就热障涂层在高温氧化环境下服役后产生热生长氧化物（ＴＧＯ）对热障涂层高温抗氧化性能的影响进行分析和讨论。

高温合金涂层的制备及其在航空发动机中的应用随着航空工业的不断发展，高温合金涂层作为一种重要的材料技术，越来越受到关注。

高温合金涂层能够在极端恶劣的条件下保护航空发动机，因此在航空发动机中的应用非常广泛。

本文将就高温合金涂层的制备及其在航空发动机中的应用进行探讨。

一、高温合金涂层的制备高温合金涂层的制备过程比较复杂，主要包括材料的选择、制备方式的选择以及工艺参数的优化。

目前，高温合金涂层的制备方式主要有物理气相沉积、化学气相沉积和热喷涂三种。

物理气相沉积（PVD）是一种利用真空技术，在表面制备高温合金涂层的方法。

通过在真空室中加热材料，使其变为气态，然后利用离子轰击或者磁控溅射的方法，将材料沉积在被涂层表面。

该方法可以获得高质量的涂层，但是制备设备成本高，整个制备过程比较复杂。

化学气相沉积（CVD）是一种通过化学反应沉积涂层的技术。

在该方法中，材料海氏体或超钢等在特定温度下加热，然后通过气体传递到预定位置，与基体上的金属反应，形成一层厚度为10-20μm的高温合金涂层。

该方法具有较高的生产效率，但是也存在着制备过程较复杂和工作温度的要求较高等问题。

热喷涂是一种通过喷涂熔融粉末或线材的方法制备高温合金涂层的技术。

该技术不仅可以制备均匀的涂层，还可以在原材料中添加一些特殊的化学元素，以获得更好的性能和更高的耐热性。

而这种方法最大的优点就是可以适应各种大型机械设备及基体形状，制备成本较低。

二、高温合金涂层在航空发动机中的应用高温合金涂层在航空发动机中的应用非常广泛。

航空发动机需要具备高速、高温、高压力、高真空和耐腐蚀等多重性能，而高温合金涂层正是保证这些性能的关键因素。

1.轴承和叶片涂层航空发动机消耗能量的大部分来自于对风扇的升压作用，而高温合金涂层可以减少风扇轴承和叶片的摩擦，从而减少能量的损失，并提高发动机效率。

另外，叶片涂层还可以提高其热膨胀系数和热导率，减少其对发动机温度的影响。

2.涡轮涂层涡轮是航空发动机中的重要部件，使用高温合金涂层可以提高其耐高温性、耐磨性、抗氧化性和抗腐蚀性。

航空发动机热障涂层材料体系的研究航空发动机热障涂层材料体系的研究航空发动机热障涂层材料体系的研究一直是航空工程领域的关键课题。

随着发动机设计的不断进步，发动机的工作温度也越来越高，因此对热障涂层材料体系的研究和开发变得尤为重要。

热障涂层材料体系是一种能够在高温环境下保护发动机组件不受热损伤的表面涂层。

它的主要作用是降低发动机工作温度，减少热膨胀、热应力和热疲劳等问题，从而提高发动机的性能和寿命。

目前，航空发动机热障涂层材料体系的研究主要集中在两个方面：涂层材料和涂层结构。

涂层材料的研究主要包括陶瓷材料和金属材料。

陶瓷材料因其优异的耐高温性能而受到广泛关注，如氧化铝、氧化锆等。

而金属材料由于其良好的导热性能，在一些特殊应用中也被广泛使用。

研究人员通过改变材料的组分和结构，提高其抗高温氧化、抗热应力和抗热疲劳等性能，以满足航空发动机的要求。

涂层结构的研究包括单层涂层和多层涂层。

单层涂层是指将一种材料直接涂覆在基材表面，其优点是制备简单、成本较低。

然而，由于单层涂层的导热性能较差，其在高温环境下的保护效果有限。

因此，研究人员开始将多层涂层应用于航空发动机热障涂层中。

多层涂层由多种材料层叠组成，可以兼顾不同材料的优点，提高涂层的导热性能和耐热性能。

此外，航空发动机热障涂层材料体系的研究还包括涂层制备工艺的研究。

制备工艺对涂层的性能和结构有着重要影响，因此研究人员致力于寻找更加先进、高效的制备技术，如等离子喷涂、物理气相沉积等。

总而言之，航空发动机热障涂层材料体系的研究是航空工程领域的一项重要研究课题。

通过不断改进涂层材料和涂层结构的性能，并研究制备工艺的先进化，可以提高发动机的性能和寿命，为航空工程发展做出贡献。

收稿日期：2020-11-24基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：李艳明（1990），男，硕士，工程师，从事航空发动机三防技术工作；E-mail ：****************。

引用格式：李艳明，李中生，刘欢，等.镍基高温合金表面Co-Al 涂层抗高温氧化性能研究[J].航空发动机，2023，49（1）：169-174.LI Yanming ，LI Zhongsh⁃eng,LIU Huan ，et al.Research on high temperature oxidation resistance of Co-Al coatings on Ni-based superalloy[J].Aeroengine ，2023，49（1）：169-174.镍基高温合金表面Co-Al 涂层抗高温氧化性能研究李艳明1，李中生2，刘欢1，卜嘉利1，张开阔1，韩振宇1（1.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015；2.空军装备部驻沈阳地区第二军事代表室，沈阳110043）摘要：为了研究镍基高温合金表面Co-Al 涂层抗高温氧化性，对该Co-Al 涂层在800、900和1000℃下进行200h 高温氧化试验，利用扫描电子显微镜（SEM ）、能谱仪（EDS ）和X 射线衍射仪（XRD ）等进行高温氧化行为分析。

结果表明：合金氧化动力学曲线均基本符合抛物线规律，氧化激活能为78185kJ/mol ，质量增大速度较缓慢，平均氧化速度也较慢；合金表面生成氧化物结构完整、致密，主要以Al 2O 3为主；表面生成连续致密的Al 2O 3保护膜有效地阻止了Al 向涂层与空气界面的外扩散和氧向涂层与基体界面的内扩散，在3种温度下Co-Al 涂层均表现出优异的抗高温氧化性能。

关键词：镍基高温合金；Co-Al 涂层；高温氧化；Al 2O 3保护膜；航空发动机中图分类号：V252.2文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.01.025Research on High Temperature Oxidation Resistance of Co-Al Coatings on Ni-based SuperalloyLI Yan-ming 1，LI Zhong-sheng 2,LIU Huan 1，BU Jia-li 1，ZHANG Kai-kuo 1，HAN Zhen-yu 1（1.AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China;2.Second Military Representative Office of Air ForceEquipment Department Stationed in Shenyang Area,Shenyang 110043,China ）Abstract ：In order to study the high temperature oxidation resistance of Co-Al coating on the surface of Ni-based superalloy ，high temperature oxidation tests were carried out at 800，900and 1000℃for 200hours ，and their oxidation behavior were analyzed metallo⁃graphically by scanning electron microscopy (SEM)，energy disperse spectroscopy (EDS)and X-ray diffraction (XRD).The results show that the oxidation kinetics curves of the Co-Al coatings basically obey the parabolic law and the oxidation activation energy was 78185kJ/mol.The mass addition of Co-Al coating was relatively slow as well as the average oxidation rate.Uniform and dense film of oxidation products,which were mainly composed of Al 2O 3，was formed on the surface of the specimen.The continuous and dense protective film effectively pre⁃vents the outward diffusion of Al to the coating-air interface and the inward diffusion of O to the coating-substrate interface,the Co-Al coating exhibits excellent high temperature oxidation resistance at three temperatures.Key words ：Ni-based superalloy ；Co-Al coatings ；high temperature oxidation ；Al 2O 3protective film ；aeroengine第49卷第1期2023年2月Vol.49No.1Feb.2023航空发动机Aeroengine0引言镍基高温合金具有高温组织稳定、抗腐蚀和抗疲劳等优点，广泛用于航空发动机及燃气轮机的热端部件，尤其是在高温环境下使用的涡轮叶片[1-2]。

航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状一、引言航空发动机是现代航空的核心部件，其性能的优劣直接影响着飞行器的飞行效率和安全性。

而航空发动机涡轮叶片是发动机中最重要的部分之一，其工作环境极其恶劣，需要承受高温高压等极端条件。

为了保证涡轮叶片的寿命和可靠性，热障涂层技术被广泛应用于航空发动机涡轮叶片上。

二、热障涂层的概念和分类热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBC）是一种能够提供保护和绝缘作用的表面覆盖层，在高温环境下能够有效地减少受到热应力和氧化腐蚀等因素的影响。

根据不同的制备方法和材料组成，热障涂层可以分为多种类型，如YSZ（氧化锆稳定化）陶瓷涂层、MCrAlY（M 表示金属元素，Cr表示铬元素，Al表示铝元素，Y表示钇元素）金属涂层、La2Zr2O7（氧化镧锆）涂层等。

三、热障涂层的应用热障涂层技术已经广泛应用于航空发动机涡轮叶片上，主要是为了提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能。

热障涂层可以有效地减少叶片表面温度，降低热应力，延长叶片寿命。

同时，热障涂层还可以提供绝缘作用，防止热量传递到叶片内部，从而保护叶片的材料性能。

四、热障涂层的制备方法和材料选择制备方法包括物理气相沉积法、化学气相沉积法、电弧等离子喷涂法、等离子体喷涂法等。

不同的制备方法有着各自的优缺点，在选择时需要考虑到生产效率、成本、质量等因素。

材料选择方面需要考虑到其耐高温性能、导热系数、化学稳定性等因素。

五、发展趋势未来航空发动机对于热障涂层技术的需求将会更加迫切，同时也面临着更高的要求。

未来热障涂层需要具备更高的耐高温性能、更低的导热系数、更好的耐氧化腐蚀性能等特点。

此外，热障涂层还需要具备可持续性和环保性，在制备过程中减少对环境的影响。

六、结论航空发动机涡轮叶片热障涂层技术是目前航空领域中不可或缺的一部分。

通过选择合适的制备方法和材料，可以有效地提高叶片的耐高温性能和抗氧化腐蚀性能，延长其使用寿命。

先进航空发动机热障涂层技术研究进展薛庆曾【摘要】热障涂层是保障飞机发动机正常工作的重要处理措施。

为了配合飞机发动机增加推重比，就要保障发动机全速负荷下部件能承受高温的能力。

本文描述了先进的航空发动机热障涂层技术发展近况，以及涂层性能的分析。

【期刊名称】《黑龙江科技信息》【年(卷),期】2016(000)016【总页数】1页(P70-70)【关键词】热障涂层;飞机发动机;提高推重比;进展研究【作者】薛庆曾【作者单位】海军驻沈阳地区发动机专业军事代表室，辽宁沈阳 110000【正文语种】中文飞机发动机的发展方向就是提高推重比，但是想要提高推重比，提升飞机动力。

在飞机发动机部件上就面临了更严峻的考验，与上世纪40年代相比，飞机发动机压力增加了三倍，温度上升了1000℃，而且温度还在每年上升。

如此高温已经大大超过了金属合金的承热极限，所以要要从两方面入手，一方面积极研发新型耐高温材料，另一方面研究先进的冷却技术。

TBCs是国际上最常用的飞机发动机防热系统，它是是陶瓷氧化物薄层和粘结层组成。

它具有硬度高、高温下化学性能稳定的优点，同时能帮助金属器防止腐蚀及高温。

因为隔热性能耗，所以飞机发动机燃烧的热能转化的有用功增多，提升了飞机发动机功率，降低飞机燃油消耗。

TBCs被广泛采用在飞机发动机的叶片、隔热屏、尾喷灌等高温区域，并展现了良好的工作性能。

TBCs传统的技术在发展中不断的改进和完善，在以前多采用磁控和高温火焰喷涂，但是效果一般，在结构的拐点和复杂结构面上无法做到均匀喷涂。

之后发展了等离子和EB—PVD，改善了这一问题。

等离子和EB—PVD就是现在最前沿的技术。

1.1 等离子喷涂是现在的先进技术之一，是利用等离子发生器产生的高速等离子流把材料粉末加热到熔融状态在喷涂到发动机元件表面上，熔融状态的材料粉末会渐渐连接起来，形成了一个良好的保护层。

利用熔融状态的材料离子相互连接形成的材料涂层，涂层成片状，孔洞较多同时较大，但隔热性能良好。

先进航空发动机热防护涂层一、研究背景燃烧室和高压涡轮：温度最高、压力最大发动机热端部件温度分布（Rolls-Royce 900发动机）一、研究背景随着推重比增加，发动机叶片表面工作温度不断升高，对叶片合金材料提出更高要求。

推重比10 12～15 1520涡轮前温度：1850～1950K 2000～2100K 21002200K叶片表面温度：＞1400K ＞1500K ＞1600K一、研究背景目前最先进的单晶高温合金的极限使用温度约为1150℃，低于高推重比航空发动机叶片要求的工作温度，而且已经接近高温合金的初熔温度。

高温材料的单一使用已经难以满足高推重⒍ 杆俜⒄固岢?的迫切要求一、研究背景防护涂密封涂层层热障涂层撞击涂层密封涂磨蚀涂层层防护涂磨蚀涂层层高温防护涂层技术是燃气涡轮发动机叶片技术中与高效冷却技术、高温结构材料技术并重的三大主要技术之一。

一、研究背景国外叶片试车前后的烧损状况海洋气氛腐蚀环境工作2500h后的叶片，左：无涂层，右：涂层一、研究背景高温合金材料的温度发展史高温防护涂层技术、高效冷却技术、高温结构材料技术并重为航空发动机涡轮叶片的三大关键技术。

热障涂层TBCs：耐高温、低导热、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层的方式与合金相复合，降低高温环境下工件表面工作温度的一种高温热防护技术。

隔热效果50120 K 涂覆了热障涂层的涡轮工作叶片高温合金陶瓷隔热层粘结层热障涂层的作用显著提高发动机推力：高温合金能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1倍）和可靠性。

降低气体冷却量，降低耗油量，节省燃料。

提高了热端部件耐冲刷、耐氧化腐蚀的能力，在航空航天、兵器、船舶、能源等多领域都具有广泛的应用价值。

热障涂层的应用美、俄等先进战斗机民航机Boeing 747 大推力火箭大型军用运输机美国C-17 新一代跑车热障涂层的应用美国、俄罗斯等工业发达国家在先进战斗机、大型军用运输机、大型民机、地面燃机、舰载机等用发动机上采用了TBC技术，计划在所有航空发动机上采用TBC，TBC在航空航天、航海、能源、兵器等领域有着广泛的应用前景。

面向航空发动机应用的表面涂层及其高温摩擦磨损性能专栏序
言
邵天敏;李永健
【期刊名称】《中国表面工程》
【年(卷),期】2022(35)3
【摘要】航空发动机是飞机的心脏,被誉为工业皇冠上的明珠,是关系国防安全和国民经济的重大装备。

表面工程技术是高性能航空发动机不可或缺的基础和保障。

随着军用和民用航空领域对发动机性能要求的不断提升,新一代航空发动机的工况条件愈发恶劣,其诸多关键零部件面临高温、高载、高速、腐蚀和冲击等一系列苛刻工况的考验。

摩擦磨损是造成航空发动机关键零部件性能、寿命和可靠性下降的重要原因,是制约高性能航空发动机发展的主要瓶颈之一。

近年来,我国众多学者围绕航空发动机应用的表面涂层技术,聚焦极端工况下航空发动机关键零部件的高温摩擦磨损行为、表面涂层的失效机理、涂层的改进和开发等方面开展了大量研究工作,在耐高温、耐磨损、低摩擦、抗氧化和耐腐蚀表面涂层的设计、制备和应用等方面取得了重要成果。

【总页数】1页(PI0001-I0001)
【作者】邵天敏;李永健
【作者单位】清华大学;清华大学机械工程系
【正文语种】中文
【中图分类】V23
【相关文献】
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航空发动机热障涂层存在的问题及其发展方向一、热障涂层应用现状要想使航空发动机获得更大的推重比，就必须提高发动机涡轮前的进口温度，因此对航空发动机燃烧室、涡轮叶片等热端部件的抗高温能力的要求相应提高。

在基体合金表面涂覆热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是有效提升其抗高温能力的途径之一。

目前在涡轮发动机上获得实际应用的热障涂层均为双层结构：表层为陶瓷层，主要起隔热作用，此外还起抗腐蚀、冲刷和侵蚀的作用；内层为金属粘接层，主要起改善金属基体与陶瓷层之间的物理相容性，增强涂层抗高温氧化性能的作用。

航空发动机热障涂层迄今为止，应用最广、最成熟的热障涂层是以氧化钇（质量分数6% ～8% ）部分稳定氧化锆（ YSZ）陶瓷层为面层，MCrAlY合金层为粘接层的双层结构热障涂层体系。

YSZ具有低的热导率和相对较高的热膨胀系数，但是它在使用过程中存在如下问题：（1）当工作温度高于 1200 ℃时，随着烧结时间延长，YSZ 的孔隙率和微观裂纹数量逐步减少，从而导热系数上升，隔热效果下降。

（2）高温环境中，热障涂层的面层和粘接层之间会生成以含铝氧化物为主的热生长氧化物（TGO），同时金属粘接层会产生“贫铝带”，随着热循环次数的增加，贫铝带扩大，富 Ni、Co的尖晶石类氧化物在TGO 中形成，从而使TGO 内部产生较大的应力，最终诱发裂纹并导致陶瓷面层脱落。

（3）空气环境中或飞机跑道上的颗粒物进入燃烧室后，在高温作用下形成一种玻璃态沉积物CMAS（CaO，MgO，Al2O3，SiO2等硅酸铝盐物质的简称）。

CMAS 附着在发动机叶片上，在毛细管力的作用下沿着YSZ 涂层孔隙向深度方向渗透，随后CMAS与YSZ涂层中的Y2O3发生反应，加速YSZ相变，最终在热化学与热机械的相互作用下，导致YSZ 涂层内部产生裂纹。

（4）YSZ 陶瓷面层、金属粘接层、TGO 的热膨胀系数存在的差异会引起致YSZ陶瓷面层/TGO界面、TGO/金属粘接层界面上在从工作温度（上千摄氏度）降到室温的过程中产生应变失配，从而形成热失配应力，最终会导致YSZ 面层脱落。