中文版 English  加入收藏 | 設為首頁 | 會員中心 | 我要投稿 | RSS
您當前的位置:首頁 > 其它知識 > 航空航天

熱障塗層在航空發動機渦輪葉片上的應用

時間:2014-01-17 10:06:07  來源:燃氣渦輪試驗與研究  作者:文生瓊,何愛傑,王 皓

摘 要:本文分析了熱障塗層(TBCs)技術應用於發動機渦輪葉片上的必要性,介紹了熱障塗層在國外發動機渦輪葉片上的應用情況及國內的發展狀況,同時還比較了等離子噴塗和電子束物理氣相沉積兩種主要製備方法的優缺點,最後展望了熱障塗層的應用前景。

關鍵詞:熱障塗層;航空發動機;渦輪葉片

1引言
        目前國外新型軍用燃氣渦輪發動機的燃氣溫度已達 1 538~1 871℃,使得渦輪葉片工作條件十分惡劣。 由於渦輪葉片前後緣較薄,熱慣性較小,因而受熱速度快,在渦輪葉片內產生很大的溫度梯度,使前後緣產生很大熱應力,反複作用就會出現熱疲勞(低周疲勞)裂紋。 尤其是對於第 1 級渦輪葉片,起動-停車引起的熱衝擊和熱疲勞現象往往成為渦輪葉片的主要故障之一。
        渦輪葉片在高溫、高應力條件下工作,目前僅靠采用先進的冷卻技術、 發展新型耐高溫合金材料和改進渦輪葉片的製造工藝, 在較短時期內是難以滿足安全可靠工作所必需的高溫蠕變強度和抗高溫氧化腐蝕能力的。 現役發動機的高溫部件材料許用溫度均在 1 100℃以下。 目前,我國高性能發動機的渦輪葉片為具有複雜內腔的空心葉片, 采用複合冷卻技術對其進行氣冷降溫, 將材料用到了使用溫度極限。對於更高性能的航空發動機,其渦輪葉片將麵臨更高的渦輪前進口溫度, 用目前成熟的材料和工藝已難以使渦輪葉片正常工作。 渦輪葉片耐高溫能力的極限,羈絆著航空發動機推重比的提升,快速、有效地提高渦輪葉片的耐高溫能力就成為當務之急。當前解決這一問題的主要手段之一是在渦輪葉片表麵采用熱障塗層技術(TBCs)。 熱障塗層技術的基本設計思想是利用陶瓷材料優越的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損和絕熱等性能使其以塗層形式和基體複合,以提高結構件抵抗高溫腐蝕的能力。 即研製既具有相當隔熱效果又可經受長期高溫氧化腐蝕的陶瓷熱障塗層,通過將低導熱性、耐高溫的陶瓷材料以塗層的方式沉積到高溫合金基體表麵以達到隔熱和降低工件表麵工作溫度的目的。 如在 1 055℃工作環境下,在渦輪葉片金屬基體上噴塗 127 μm 的熱障塗層,可使金屬基體的溫度降低 189℃[1]。 由此可見,熱障塗層的應用可提高渦輪前燃氣溫度或減少冷卻空氣量,從而提高發動機性能或推力。
2國外熱障塗層在渦輪葉片上的應用
        采用熱障塗層係統可帶來巨大的效益,發達國家的先進發動機熱端部件幾乎都采用這一技術。 如NASA 的實驗表明,0.4 mm 陶瓷熱障塗層可使葉片基體的溫度降低 100~300℃[2]。 國外熱障塗層係統一般是兩層結構,外層為隔熱陶瓷層,利用其較低的熱傳導性和基體自帶的冷卻係統,可在陶瓷中產生較大的溫度降。 內層為粘結層,可以改善陶瓷層與金屬基體的粘結性能,同時也具有抗氧化功能,保護葉片基體免受氧化侵害。
        熱障塗層研究始於 20 世紀 40 年代末[3],到 60年代就已應用於 X-15 火箭噴嘴和燃氣輪機燃燒室部件。70 年代中期,由於雙層塗層係統開發成功和熱障塗層研究獲得突破性進展, 使之應用於燃氣輪機渦輪葉片、導向葉片、翼麵和渦輪槳等。 進入 80 年代, 逐漸在一些機型的發動機葉片上開始進行試飛或實際使用。 在此期間所采用的製備方法主要為等離子噴塗(PS)。 由於等離子噴塗工藝特性所致,塗層表麵粗糙,影響空氣動力特性,而且一部分相互連通的氣孔成為外部腐蝕氣體和雜質進入塗層內部的通道,降低了粘結底層抗氧化及熱腐蝕性能,使得下麵的金屬結合層易氧化導致開裂, 抗剝落壽命得不到保障。 為了獲得更高抗剝落壽命的熱障塗層,研究者將先進的電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術引入到熱障塗層製備中。 EB-PVD 熱障塗層的研究始於 20世紀 70 年代,美國普惠公司於 80 年代取得突破,隨後該技術在德國等國也獲得了成功應用[4]。 圖 1 給出了德國宇航研究院(DLR)在高壓渦輪上采用 EB-PVD製備的熱障塗層[5]。 到 80 年代中期,西方幾家大的航空發動機公司所研製的航空渦輪發動機均采用了或準備采用 EB-PVD 熱障塗層來保護工作葉片及導向葉片,有些公司已通過實際飛行試驗並投入使用。 目前,普惠公司的 PW2000 及 PW4000,GE 公司的 CF-80C2、CFM56-5a 係列、F414 以及 JT-9D 的渦輪葉片都已采用了熱障塗層。 其中 1994 年 3 月交付使用的PW2000“降溫型”發動機,其第 1 級高壓渦輪工作葉片和導向葉片壽命比原型機提高 2 倍, 第 2 級高壓渦輪工作葉片壽命比原型機提高 1.5 倍[6],熱障塗層的使用便是使其壽命提高的關鍵技術之一。 前蘇聯(目前主要是俄羅斯和烏克蘭)也用 EB-PVD 法成功地在渦輪工作葉片上製備了熱障塗層, 並已用在軍機上;羅•羅公司的 RB211-535E4 發動機在葉片上、下緣板與燃氣接觸的表麵上也噴塗有熱障塗層。
        國外實際使用及實驗驗證表明, 在渦輪葉片表麵噴塗熱障塗層可收到顯著的技術經濟效益: ①有效提高航空發動機渦輪進口溫度, 從而提高發動機的性能;②提高零件工作表麵的耐蝕性,將葉片基體與燃氣流隔開可以避免燃氣流對零件基體的侵蝕;③降低葉片溫度,延長葉片的使用壽命,使葉片的可靠性更好;④減少來自壓氣機的冷卻空氣流量;⑤簡化冷卻通道設計,從而降低渦輪葉片加工工藝難度,減少製造成本。
3國內熱障塗層的發展
        我國在熱障塗層研究方麵起步較晚。在 20 世紀60~70 年代曾利用等離子噴塗為燃燒室火焰筒等製備熱障塗層, 隨後逐步開始在航空發動機其他部分部件上應用。為適應我國航空發動機發展的需要,在90 年代中期,一些科研單位和院校開展了電子束物理氣相沉積技術製備熱障塗層的研究, 並從國外引進大功率多電子束物理氣相沉積設備。 隨著航空航天技術的發展, 目前我國的熱障塗層技術也有了較大的進步, 熱障塗層已經應用於發動機燃燒室、噴口、渦輪葉片等處。 21 世紀初,用電子束物理氣相沉積技術成功地將熱障塗層製備在某機 I 級渦輪葉片上;經裝機試車考核,該熱障塗層的性能達到國外同類產品的技術水平[7]。
        熱障塗層結構有多種,我國目前性能較好的、工藝較成熟的熱障塗層是雙層結構。 雙層結構熱障塗層主要包含一層較薄的低導熱率陶瓷頂層(典型的部分穩定氧化鋯)和一層金屬粘結層。氧化鋯的熔點高,具有良好的高溫穩定性、高溫耐腐蝕性和耐磨損性,熱導率低,熱膨脹係數大,有良好的抗熱循環性能,可以降低金屬溫度並緩和渦輪葉片工作中的瞬態溫度峰值。粘結層可以防止下麵的超合金發生氧化,把陶瓷的優良粘合力傳給底層。
        與國外相比, 我國熱障塗層在航空發動機渦輪葉片上的實際應用還處於初級階段, 電子束物理氣相沉積技術還較落後。 如:工藝上,電子束物理氣相沉積技術還未達到工程實用,尚處於試驗階段;熱障塗層的性能強度壽命研究剛起步; 塗層係統性能參數的測試方法及測試手段還未建立; 塗層主要的實驗考核設備還很缺乏, 更缺乏與此相應的帶塗層葉片設計理論等。 要在工作於更高溫度的渦輪葉片上使用熱障塗層,尚需進行更深入的攻關性研究。
4渦輪葉片上熱障塗層的製備
         熱障塗層的製備方法主要有等離子噴塗法、激光-等離子複合法、 激光熔覆法及電子束物理氣相沉積法, 目前主要采用等離子噴塗法和電子束物理氣相沉積法。
等離子噴塗熱障塗層的工作原理是通過電離形成等離子氣流,溫度可達 2 000℃,能在很短時間內迅速將塗層材料熔化或軟化,然後以很高的速度(可達 200 m/s)噴在預熱的基體或已噴的塗層上,塗層與基體的結合方式主要是機械鎖定。 這種方法的優點是噴塗速度快,生產效率高,零件尺寸不受真空容器的體積限製,可以很大;缺點是不易用來噴塗形狀複雜的零件,噴塗厚度不均勻,表麵較粗糙,結合不牢,塗層壽命較低,因此不適於在對表麵粗糙度和壽命都有很高要求的航空發動機渦輪葉片上應用。
         電子束物理氣相沉積法是將零件放在一真空容器中, 電子槍產生的高能電子束將塗層材料加熱熔化蒸發後,塗層材料以原子、分子的形態覆蓋到零件表麵。塗層係統的組織結構具有明顯的柱狀特征,近似於一種無應力狀態, 塗層與基體間及塗層內部都是以化學鍵形式結合,強度較高。 優點是:①該塗層是由許多柱狀晶體排列而成, 柱狀晶體之間相互靠在一起但彼此分離,每個晶體牢牢地粘到底層(粘結層)上,這種結構使其應變容限大大提高,有關對比實驗表明其壽命是等離子塗層的 8 倍; ②該噴塗的表麵光潔度高、 耐磨性好, 可以噴塗形狀複雜的零件,而且此類熱障塗層表麵光滑,可複現原底層粗糙度,無需再加工,可減少燃氣阻力,提高塗層使用壽命;③工藝參數比等離子噴塗易於控製。 缺點是:①塗料中各組成元素的蒸發壓力有區別, 因此塗料成分越複雜(如粘結層 MCrAlY),工藝也就越複雜;②噴塗速度慢、效率低,成本較高。
         電子束物理氣相沉積與等離子噴塗製備塗層特點見表 1[9]。目前,電子束物理氣相沉積法已被成功用於各種耐磨塗層、防腐塗層、微疊層材料和航空用新型葉片的製備。 電子束物理氣相沉積法製備的陶瓷塗層的抗熱衝擊、 抗剝落性能遠優於等離子噴塗法製備的陶瓷塗層,並且塗層的表麵粗糙度低,處理後陶瓷表麵粗糙度 可達到 0.7 μm,遠小於等離子噴塗塗層的 2 μm 左右,具有良好的耐磨性。 普惠公司對 JT90第 1 級渦輪葉片的飛行試驗證實: 由等離子噴塗製備的熱障塗層經過 1 500 h 飛行後就已破壞, 但是電子束物理氣相沉積製備的熱障塗層經過 5 000 h後仍處於良好狀態[8]。 所以用電子束物理氣相沉積製備的熱障塗層是未來發展的重點, 也是用於航空發動機渦輪葉片噴塗熱障塗層的通用做法。
        熱噴塗的實際操作過程中, 通常在基體材料和工作層之間不能形成良好的結合。 為了增強結合強度和保護基體, 還需要在工件表麵噴塗一層形成微冶金結合的、 材料的膨脹係數與工件和表麵塗層材料相近的打底塗層(過渡層)。 打底塗層具有比基體材料更好的抗氧化能力和耐腐蝕性能。
4結論
        本文采用自動優化設計方法對某燃氣渦輪靜葉柵進行了周向積疊規律優化設計,可得出如下結論:(1) 優化後得到一個根部具有明顯反彎特征的葉柵,在流量基本不變的條件下,總損失相對原型減少了 6%以上,性能更優。(2) 損失減少的主要原因是積疊線反彎使吸力麵的徑向流動減弱, 葉根處的低能流體向葉展中部的流動減弱,葉展中部的性能明顯得到改善。
參考文獻略

 

本站文章未經允許不得轉載;如欲轉載請注明出處,北京AG亚游官网科技開發有限公司網址:http://www.poloshirtsshop.com/

 

來頂一下
返回首頁
返回首頁
發表評論 共有條評論
用戶名: 密碼:
驗證碼: 匿名發表
推薦資訊
相關文章
    無相關信息
欄目更新
欄目熱門