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热障涂层成为高性能航空发动机必不可少的“防护服”

2021-01-13 10:07:48 中国航发 中国航发专栏

近期,全国多地出现零散疫情,医务人员再次穿上防护服,开展疫情防控工作。这身防护服,成为这个冬天最温暖的颜色。你知道吗?航空发动机也有自己的“防护服”。

航空发动机的“防护服”

发动机为什么穿“防护服”?

人穿上防护服是为了抵御细菌病毒的侵袭,那发动机穿上“防护服”是为了抵御什么呢?

众所周知,推重比是衡量航空发动机性能的重要标志。要想获得更大的推重比,就必须提高发动机涡轮前的进口温度。因此,对涡轮部件抗高温能力的要求也相应提高。

长期在高温环境下工作,涡轮部件的表面容易受到高温氧化和热腐蚀。为此,材料科学家不断探索着提升涡轮抗高温能力的方法,其中最有效的方法就是穿上“防护服”——在涡轮部件上涂覆具有不同功能的涂层,从而达到提高使用性能、使用更可靠以及延长使用寿命的目的。

发动机的“防护服”是什么?

从用途上来看,发动机的“防护服”通常有以下几类:抗氧化和防热腐蚀的涂层,防止叶片尖端划伤内腔的耐磨涂层,填补部件组合处细小缝隙的封严涂层,以及在叶片表面起到隔热作用的热障涂层。

热障涂层常用于高温防护,是近年来涂层研究领域的热点之一。热障涂层有很多优点,它能降低零部件的工作温度,从而降低因工作疲劳带来的损伤,同时,热障涂层也可以减少涡轮叶片对冷却气体的需求量,有助于提高发动机工作效率,延长工作寿命。

热障涂层拥有一个像“三明治”一样的多层结构,由陶瓷隔热层、金属粘结层和高温合金底层组成涂层系统。

尽管形似“三明治”,但热障涂层的制备并不是简单地层层叠加,需要先将制备涂层的材料蒸发成蒸汽或细化成直径微米级的颗粒,再通过结晶生长或借助极高的能量,将这些颗粒牢固地涂覆在材料表面。因此,热障涂层常使用电子束物理气相沉积、等离子体喷涂等工艺制备。

发动机“防护服”的由来

起源:热障涂层技术起源于19世纪70年代。1976年,在美国NASA刘易斯研究中心,陶瓷热障涂层在J75涡喷发动机涡轮叶片上试验成功。

飞跃:到20世纪90年代,热障涂层技术迎来快速发展。美国的GE公司在20世纪90年代后期开发出新型单晶合金基体热障涂层。GE90发动机叶片采用这种热障涂层之后,性能较未采用涂层的叶片相比大大提高。

大规模使用:90年代以后,热障涂层技术逐渐得到广泛应用。英国的RR公司在20世纪90年代以来逐渐将热障涂层大量应用到军用和民用发动机上。其中,著名的遄达系列发动机就使用了热障涂层。

科学是一门不断向极致发起挑战的艺术,每一次的技术进步,背后都是成百上千次的实验。如今,热障涂层已成为高性能航空发动机研制中必不可少的关键技术之一,材料科学家和航空发动机工程师们也正利用掌握的科学知识、实践经验与高温较量,不断提高发动机的性能。

责任编辑:助理编辑