航空發動機高溫防護涂層技術發展現狀與標準需求

常 偉 紀艷玲 袁文明

（北京航空材料研究院，北京 100095）

航空發動機是飛機的關鍵部件，是衡量飛機發展水平的重要標志之一。隨著航空發動機推重比的增加，航空發動機燃燒室、渦輪機和壓氣機等的溫度大幅提升，尤其是渦輪進口溫度幾乎以每年15℃的速度增加，即使采用先進的定向凝固高溫合金和單晶高溫合金作為渦輪葉片，并輔助以先進的冷卻技術，也難以滿足抗氧化、隔熱、耐腐蝕等的實際要求。因此，高溫防護涂層的研制就成為不容忽視的關鍵技術之一，可以為航空發動機熱端部件提供必要的防護作用[1]。

高溫防護涂層的研究距今已有數十年的歷史，目前國內外幾乎所有現有型號和預研型號的航空發動機都涂覆有某些種類的高溫防護涂層，且對涂層的性能提出了越來越高的要求，使得高溫防護涂層事實上成為航空發動機不可或缺的組成部分。雖然國內外航空發動機高溫防護涂層的發展極其迅速，很多企業在選材和結構設計、制備技術、性能檢測和評價方面制定了內部標準或規范，但是相關的行業標準和國家標準卻極其缺乏，已經不能滿足高溫防護涂層蓬勃發展的需求。目前國內多家科研單位各自為戰，缺乏統一的標準對研制和生產加以指導和規范，不利于航空發動機高溫防護涂層相關技術的快速發展。

為了更好地滿足航空發動機高溫防護涂層的發展需求，制備出性能穩定的涂層，本文擬對其現狀和發展趨勢進行分析，并著重分析該領域內現有標準的情況，進而提出今后航空發動機高溫防護涂層標準的制修訂建議。

1 航空發動機高溫防護涂層技術發展現狀

目前，航空發動機高溫防護涂層主要應用于渦輪工作葉片、渦輪導向葉片和燃燒室內襯等部位的高溫合金或其他高溫結構材料的表面，常見的涂層種類有金屬抗氧化涂層、熱障涂層、內腔涂層、環境障涂層等。高溫防護涂層可以分為擴散型涂層、包覆型涂層、熱障涂層[2]和環境障涂層[3]4大類，常見的涂層成分和制備方法見表1[2]。

表1所列的常見涂層反映了航空發動機高溫防護涂層的發展歷程：鋁化物涂層，改性鋁化物涂層、MCrAlY系列涂層（M為Co、Ni或者Co+Ni）和熱障涂層，還有后來出現的環境障涂層。其中擴散型涂層和包覆型涂層主要起抗高溫氧化的作用，目前歐洲多采用改性鋁化物涂層，美國則以MCrAlY為主；熱障涂層的粘結層則通常采用改性鋁化物涂層或者MCrAlY系列涂層，起到抗氧化和提高陶瓷面層與基體材料界面結合性能的作用，面層主要是ZrO2基陶瓷涂層，起到隔熱和抗沖蝕、耐腐蝕的作用。

表1 航空發動機高溫防護涂層的常見種類和制備方法[2]

環境障涂層的出現主要是為了滿足硅基非氧化物陶瓷材料在航空發動機服役條件下的防護需求。硅基非氧化物陶瓷材料在干燥氣氛中，具有高達1500℃以上的長期服役溫度上限，被認為是極具發展潛力的航空發動機用結構材料[3]。在國外某些新型航空發動機中，硅基非氧化物陶瓷材料已經開始被用作燃燒室內襯等部位的結構材料，預計未來更高推重比的航空發動機導向葉片上也將有較好的應用前景。但是NASA等的研究表明[4]，硅基非氧化物陶瓷材料在高溫水蒸汽環境下，會和水蒸汽發生反應，導致表面化學穩定性急劇下降。環境障涂層則可以在發動機服役條件下，將發動機內的高溫水蒸汽與硅基非氧化物陶瓷材料隔離開來，進而避免硅基非氧化物陶瓷材料的快速失效。

目前，抗氧化涂層的研制已經相對較為深入，一些單位小批量生產的質量穩定性得到了大幅提高。伴隨著渦輪機服役溫度的快速提升，熱障涂層已經在目前普遍使用的粘結層/氧化鋯部分穩定的氧化釔涂層體系，向著長壽命、低熱導率、熱輻射屏蔽等方向發展[5-7]；由于具有更高極限溫度的單晶高溫合金的廣泛使用，在定向高溫合金用熱障涂層的基礎上，對熱障涂層體系進行改進，以提高熱障涂層對單晶高溫合金基體的適用性也成為研究的重要方向之一[8]。為了更好地滿足硅基非氧化物陶瓷的防護需求，環境障涂層逐漸向著增強涂層高溫相穩定性、改善水蒸汽防護性能和延長涂層高溫氧化壽命的方向發展。

2 航空發動機高溫防護涂層標準現狀

高溫防護涂層技術包含3個主要方向：涂層材料及涂層結構設計、涂層制備技術、涂層性能測試和評價。由于航空發動機高溫防護涂層的重要性和技術保密需求，目前相應的行業標準和國家標準主要集中于涂層的性能測試方面，且未能完全涵蓋高溫防護涂層常規性能測試項目；涂層規范和涂層制備工藝相關規范主要為企業內部標準，僅有為數不多的相關行業標準和國家標準。在調研過程中，國外標準主要參考了ISO標準和ASTM和AMS標準，國內標準主要包括GB、GJB、HB和QJ標準。

2.1 涂層規范和制備工藝標準

涂層規范指涂層的成分和結構設計、涂層性能要求方面的規范，主要包括：抗氧化金屬合金涂層的成分；熱障涂層整體結構設計、各層結構設計和底涂層成分設計；EBC涂層各層成分和結構設計；涂層的各項性能指標。

總的來說，為了滿足更加苛刻的服役條件下的高溫防護需求，高溫防護涂層逐漸向著多元化、多層化的方向發展，出現了多種新型改性涂層材料，熱障涂層更是出現了微疊層、雙陶瓷層、雙粘結層結構等設計復雜、結構巧妙的涂層結構，而EBC涂層也已經發展至第三代。

制備工藝規范指涂層的制備技術規范。由于涂層體系的復雜性和涂層性能要求的多樣性，涂層制備工藝多種多樣（見表1），而熱障涂層和EBC涂層更是需要綜合應用不同的制備技術。

2.1.1 國內外現有行業（或協會）以上標準

國內外航空發動機高溫防護涂層材料和制備工藝的行業及以上標準見表2。表2表明4大類高溫防護涂層材料和制備工藝缺乏系統的規范，基本沒有熱障涂層和環境障涂層的涂層規范，制備技術的標準也僅僅涵蓋了個別常見的高溫防護涂層。

表2 國內外高溫防護涂層材料和工藝的行業及以上標準

2.1.2 國內現有企業標準

國內北京航空材料研究院、北京航空航天大學、北京理工大學、西安航空發動機集團有限責任公司等多家單位也編寫了一定量內部企業標準，以滿足各自的實際需求，在一定程度上彌補了行業及其以上級別標準的缺乏。其中，北京航空材料研究院自20世紀80年代起，就結合自身科研需求，編寫相應的高溫防護涂層材料規范和工藝規范，至今為止，已有50余項相關內部企業標準，涵蓋了部分鋁化物涂層、MCrAlY涂層和熱障涂層的材料和制備工藝，以及高溫防護涂層的部分性能測試方法。

2.2 涂層性能測試和評價標準

航空發動機高溫防護涂層的性能測試主要分力學性能、熱學性能、界面結合性能等幾個方面，目前國內測試分析主要采用的國家標準和行業標準見表3。此外，一些從事航空發動機高溫防護涂層研制工作的單位也編制了一定量的企業標準，彌補了諸如熱導率測試等測試標準的空白，并且針對帶高溫防護涂層試樣，對一些國家標準和行業標準進行了針對性的修訂。

3 航空發動機高溫防護涂層標準需求與制修訂建議

3.1 涂層規范和制備工藝標準需求

航空發動機高溫防護涂層的涂層規范和制備工藝規范嚴重缺乏，主要體現在下列方面。

目前僅有部分鋁化物涂層的制備工藝規范，缺乏其它常用制備工藝規范，例如電子束物理氣相沉積技術制備熱障涂層面層、等離子噴涂技術制備環境障涂層的BSAS層；

缺乏涂層材料的行業和國家級規范，對熱障涂層和環境障涂層基本沒有涉及，標準的制定工作嚴重滯后于科研生產的發展情況；

鑒于實際需求，目前的標準制修訂工作主要是在企業層面開展，而未能改變多家單位各自為戰的現狀。

3.2 涂層性能測試和評價標準需求

航空發動機高溫防護涂層的性能檢測標準相對較為完善，但是仍然存在以下問題：

一是缺乏熱導率、熱擴散系數等隔熱性能測試、室溫彎曲和涂層外觀測試的行業級及以上規范；

二是環境障涂層是新發展起來的涂層，沒有全面性能要求和抗水蒸汽性能測試的規范；

表3 國內航空發動機高溫防護涂層常用測試標準

三是力學性能測試方面，大量借鑒了拉伸、蠕變等無涂層試樣的標準，未針對高溫防護涂層試樣的國家標準和行業標準進行相應的修訂。

3.3 高溫防護涂層標準制修訂建議

鑒于航空發動機高溫防護涂層標準制修訂現狀，應該結合航空發動機的實際需求和發展趨勢，在建立和完善相關單位企業標準的同時，充分認識到標準制修訂工作的重要性，加快行業標準和國家標準制修定的步伐，逐步改變目前以性能測試標準為主、其它標準嚴重缺乏的現狀。在標準制定過程中，要充分考慮單晶高溫合金等新興基體材料的應用對高溫防護涂層及其制備工藝，甚至是涂層性能要求的影響，盡量增強標準的適用性。

涂層規范方面：結合航空發動機高溫防護涂層的現狀和發展趨勢，對正在發展成熟且具有重要地位的涂層，例如環境障涂層和新型熱障涂層，加快涂層規范的制修訂工作進度，實現搶先占位。

涂層制備工藝方面：結合高溫防護涂層制備工藝的多元化趨勢，針對主要制備工藝進行標準的制修定工作，尤其是要填補電子束物理氣相沉積熱障涂層、化學氣相沉積內外腔涂層方面的空白。

涂層性能測試和評價方面：進一步完善涂層性能測試和評價標準，加緊標準制定工作，填補仍然存在的空白領域，例如室溫彎曲和熱導率；同時逐步改變帶涂層試樣部分常規性能測試（例如一些力學性能測試）依賴無涂層金屬試樣標準的現狀，針對涂層測試的實際需求，對對應的性能測試標準做出修訂或補充制定。

[1] 郭洪波，宮聲凱，徐惠彬.先進航空發動機熱障涂層技術研究進展[J].中國材料進展，2009，28（9-10）：18-26.

[2] 林翠,杜楠,趙晴.高溫涂層研究的新進展[J].材料保護，2001，34（6）：4-7.

[3] 黃光宏，王寧，何利民等.環境障涂層研究進展[J].失效分析與預防， 2007，2（1）:59-64.

[4] Kang N.Lee, Nathan S.Jacobson, Robert A.Miller.Refractory Oxide Coatings on SiC Ceramics[J].NASA report，N95-10150.

[5] H.B.Zhao, C.G.Levi, H.N.Wadley.Vapor deposited samarium zirconate thermal barrier coatings[J].Surface and Coatings Technology，203(20-21),3157-3167.

[6] X.W.Song, M.Xie , R.D.Mu, etc.In fl uence of the partial substitution of Y2O3 with Ln2O3(Ln=Nd, Sm,Gd ) on the phase structure and thermophysical properties of ZrO2–Nb2O5–Y2O3 ceramics[J].Acta Material -ia, 2011，59，3895-3902.

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[8] R.T.Wu, R.C.Reed.On the compatibility of single crystal superalloys with a thermal barrier coating system[J].Acta Materialia, 2008, 56（3）：313-323.