作為發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，渦輪葉片一直處于高溫、高壓、高速的燃?xì)飧�蝕工作環(huán)境中，承受著離心力、氣動(dòng)力、溫度應(yīng)力等循環(huán)交變載荷與動(dòng)載荷作用，服役環(huán)境非常惡劣。熱障涂層在渦輪葉片上的應(yīng)用，將使高溫合金能夠承受更高的服役溫度，顯著提高葉片的可靠性和服役壽命（如圖1所示），成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不可或缺的選擇，是與先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)、高效冷卻技術(shù)并重的渦輪葉片研制三大關(guān)鍵技術(shù)之一。

 

圖1  不帶陶瓷涂層葉片(左)和帶熱障陶瓷涂層葉片(右)服役后表面狀態(tài)對(duì)比

 

目前國(guó)外熱障涂層工程化應(yīng)用研究單位主要有德國(guó)ALD公司、烏克蘭巴頓焊接研究所國(guó)際電子束技術(shù)中心（ICEBT）、俄羅斯彼爾姆發(fā)動(dòng)機(jī)廠（Perm Engine）、美國(guó)Praxair、Chromalloy、Pratt & Whitney Aircraft、General Electric Aircraft Engine公司、瑞士OerlikenMetco公司和法國(guó)Ceramic Coating Center公司（Snecma、Rolls-Royce和MTU合資公司）。國(guó)內(nèi)熱障涂層工程化應(yīng)用研究單位主要有北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空材料研究院、北京航空制造工藝研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、廣州有色金屬研究院、西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司和沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司等。

 

渦輪葉片型面復(fù)雜、表面分布了大量小尺寸氣膜冷卻孔，工作環(huán)境惡劣，如何制備出高質(zhì)量、高可靠性熱障涂層、服役過(guò)程中涂層出現(xiàn)剝落問(wèn)題后如何返修以滿足渦輪葉片全壽命周期需求對(duì)工藝部門(mén)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，具體如下：

 

1、涂層厚度分布

 

涂層厚度分布與渦輪葉片的服役工況息息相關(guān)�？紤]到渦輪葉片氣動(dòng)性能、內(nèi)外部換熱及強(qiáng)度等因素，某些渦輪葉片表面需局部涂敷熱障涂層（如圖2所示），需設(shè)計(jì)制造專用的局部涂敷夾具。對(duì)于某些葉片其表面需全部涂敷熱障涂層，需采用公轉(zhuǎn)結(jié)合自轉(zhuǎn)及專用涂敷夾具以實(shí)現(xiàn)涂層厚度的相對(duì)均勻分布（如圖3所示）。

 

圖2局部熱障涂層導(dǎo)向葉片宏觀形貌

 

圖3  全部熱障涂層葉片運(yùn)動(dòng)方式及專用涂敷夾具

 

2、氣膜孔縮孔

 

渦輪葉片涂敷熱障涂層過(guò)程中，涂層不可避免地沉積在氣膜孔內(nèi)表面，導(dǎo)致氣膜孔孔徑減�。ㄈ鐖D4所示）。由于氣膜孔孔徑大�。�橫截面積）直接決定了冷卻介質(zhì)的流通量，影響渦輪葉片氣膜冷卻降溫效果。統(tǒng)計(jì)氣膜孔縮孔規(guī)律，通過(guò)放大氣膜孔孔徑方法會(huì)影響氣膜孔形狀和尺寸，可能會(huì)影響氣流方向，進(jìn)而影響氣膜冷卻效果。

 

圖4  涂敷涂層前后氣膜孔孔徑形貌

 

英國(guó)溫伯樂(lè)公司（Winbro）采用激光打孔技術(shù)對(duì)不同涂敷厚度的熱障涂層進(jìn)行了不同角度激光打孔試驗(yàn)。通過(guò)優(yōu)化激光打孔和涂層涂覆工藝參數(shù)可以避免陶瓷面層分層和粘結(jié)層/高溫合金基體界面裂紋的產(chǎn)生。圖5為打孔后的熱障涂層表面和截面形貌照片。該工藝采用的GUI控制軟件可以讓每個(gè)脈沖具有不同的激光參數(shù)。在陶瓷面層打孔時(shí)使用正確的峰值功率/脈沖能量組合以降低激光束能量對(duì)界面的熱損傷，當(dāng)打到基體時(shí)應(yīng)采用足夠高的峰值功率，以便在很短的時(shí)間內(nèi)完成打孔，減少氣膜孔孔徑內(nèi)重熔層的產(chǎn)生。據(jù)了解，Winbro公司對(duì)燃燒室涂層（基體2mm厚，涂層0.35mm厚）進(jìn)行20°、0.52mm直徑氣膜孔加工時(shí)，重熔層平均厚度為20μm TBC；對(duì)渦輪葉片涂層（基體3mm厚，涂層0.65mm厚）進(jìn)行30°、0.65mm直徑氣膜孔加工時(shí)，重熔層平均厚度為29μm 。

 

圖5  Winbro公司熱障涂層試樣激光打孔后的表面和截面形貌

 

3、環(huán)境沉積物（CMAS）損傷

 

2010年4月中旬，冰島火山數(shù)度噴發(fā)，火山灰蔓延至整個(gè)歐洲，火山灰對(duì)飛機(jī)具有嚴(yán)重的危害，致使歐洲航空數(shù)次禁飛，使多數(shù)航空企業(yè)損失慘重，數(shù)萬(wàn)架次航班被迫取消或延遲，造成了數(shù)百億歐元的經(jīng)濟(jì)損失。大量火山灰不但會(huì)阻塞飛機(jī)的外架設(shè)備和通訊系統(tǒng)，還會(huì)被吸入飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，對(duì)飛機(jī)引擎造成巨大的破壞。被飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)攝入的火山灰不但會(huì)堵塞發(fā)動(dòng)機(jī)的連接部件和管道，如渦輪盤(pán)，葉片冷卻孔等，顆粒狀的攝入物還會(huì)沖刷飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，在高溫下發(fā)生熔融，對(duì)葉片的高溫防護(hù)涂層（熱障涂層）造成嚴(yán)重的侵蝕腐蝕作用。

 

CMAS是由于大氣中的灰塵、砂石、火山灰及飛機(jī)跑道磨屑等顆粒被吸入航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫燃?xì)饬鞯纼?nèi)（如燃燒室、渦輪葉片等零部件），在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的峰值溫度（如起飛或降落）時(shí)，這些物質(zhì)形成玻璃態(tài)熔融沉積物。CMAS熔體與涂層材料潤(rùn)濕性能良好，它會(huì)沿陶瓷層的微裂紋、孔洞等逐漸滲入涂層內(nèi)部，填充陶瓷層中的空隙，降低了陶瓷層的斷裂韌性，并且誘發(fā)循環(huán)氧化過(guò)程中的裂紋萌生。尤其是對(duì)于電子束物理氣相沉積制備的熱障涂層，由于CMAS的滲入，破壞了熱障涂層原有的柱狀晶結(jié)構(gòu)，降低了涂層的應(yīng)變?nèi)菹蕖?/p>

 

一般認(rèn)為，CMAS的熔點(diǎn)（TCMAS M）在1240℃左右，其他氧化物如TiO2等會(huì)使熔點(diǎn)有所變化。當(dāng)熱障涂層表面超過(guò)CMAS的熔點(diǎn)TCMAS M時(shí)，由于CMAS的良好浸潤(rùn)性能，它迅速滲透到熱障涂層中TTBCs= TCMAS M處。滲透深度取決于發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)涂層內(nèi)的溫度梯度及熔體的粘度。當(dāng)溫度突然下降時(shí)，熱障涂層內(nèi)部的CMAS迅速凝固，降低了熱障涂層的應(yīng)變?nèi)菹�，從而�?dǎo)致涂層發(fā)生剝落。對(duì)于等離子噴涂熱障涂層和EB-PVD熱障涂層來(lái)說(shuō)，CMAS的侵入均會(huì)導(dǎo)致熱障涂層的剝落（如圖6所示）。

 

圖6 CMAS腐蝕后葉片和外環(huán)塊表面熱障涂層形貌

 

國(guó)內(nèi)外針對(duì)CMAS的防護(hù)進(jìn)行了大量的研究，主要有以下幾個(gè)方面，一是阻止CMAS熔化后的滲入（在表層的粘附往往有滲透的現(xiàn)象，可以形成致密層，阻止CMAS的滲入），二是阻止?jié)B入后引起的氧化鋯晶型轉(zhuǎn)變（一些促進(jìn)形核的物質(zhì)，或者使CMAS產(chǎn)生結(jié)晶，如產(chǎn)生氧化鋁晶體和尖晶石相，不再滲透等），三是阻止在陶瓷層的上部（滲入?yún)^(qū)域）產(chǎn)生壓縮、致密層效果（極易產(chǎn)生很大的應(yīng)力和熱不匹配，是引起失效剝落的主要因素之一）等。美國(guó)Pratt & Whitney Aircraft公司通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)YSZ熱障涂層與新型PWA 36309GdxZr1-xO2-x/2熱障涂層在X47的試車(chē)結(jié)果表明（如圖7所示），新型GdxZr1-xO2-x/2熱障涂層具有良好的抗CMAS腐蝕性能。

 

圖6 CMAS腐蝕后葉片和外環(huán)塊表面熱障涂層形貌

 

 

4、熱障涂層返修

 

渦輪葉片熱障涂層服役環(huán)境惡劣，在高溫高速燃?xì)�、高�?yīng)力、高腐蝕性、交變載荷、冷熱循環(huán)沖擊等作用很容易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層失效。作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，渦輪葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用精密鑄造技術(shù)，制造周期長(zhǎng)，工藝復(fù)雜困難、零件合格率低。采用更換新件的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行維修勢(shì)必造成成本過(guò)高，加大現(xiàn)場(chǎng)批產(chǎn)零件的生產(chǎn)壓力。若對(duì)涂層失效的葉片進(jìn)行涂層去除后重新涂敷涂層，從而使其能夠再次使用，可以縮短生產(chǎn)周期和降低制造成本，技術(shù)附加值極大。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層修理是一項(xiàng)重要維修技術(shù)，應(yīng)用前景廣、附加值高。

 

目前熱障涂層陶瓷面層的去除方法主要有干吹砂法、熔融堿法和高壓水法。干吹砂法去除涂層厚度不易控制，造成渦輪葉片壁厚不足、且容易對(duì)高溫合金基體和金屬粘結(jié)底層造成損傷。熔融堿法利用熱障涂層在涂覆制備及服役過(guò)程中金屬粘結(jié)底層和YSZ陶瓷面層界面所形成的熱氧化生長(zhǎng)層（α-Al2O3）與熔融KOH堿液發(fā)生反應(yīng)：2KOH+ Al2O3=2KAlO2 +H2O，使得YSZ陶瓷面層松動(dòng)，再通過(guò)濕吹砂后處理工藝，即可達(dá)到去除渦輪葉片表面熱障涂層的目的（如圖8所示）。

 

圖8  熔融堿法去除熱障涂層設(shè)備宏觀照片

 

高壓水法采用壓力高達(dá)4000bar（400MPa）的純水（去離子水，雜質(zhì)顆粒小于1μm）通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴槍噴射到零件表面，通過(guò)類(lèi)似于銑削的“軟銑削”方法去除零部件表面涂層的方法（如圖9所示）。

 

圖9  高壓水法去除熱障涂層設(shè)備宏觀照片

 

對(duì)于金屬粘結(jié)底層主要采用化學(xué)法和高能粒子轟擊法去除。涂層的去除程度可以通過(guò)熱著色方法判斷。先用120~250目沿葉型方向以較小的壓力在葉片表面吹砂，然后將清潔的葉片置入空氣循環(huán)爐內(nèi)加熱到510~590℃保溫1h，空冷，目視檢驗(yàn)葉片顏色。藍(lán)色表示涂層已完全去除，稻草色或金黃色表示涂層未完全去除（如圖10所示）。

 

圖10 熱著色方法判斷涂層去除程度示意圖

 

從上述討論可以看出，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的棉大衣，熱障涂層的應(yīng)用可以顯著提升渦輪葉片的可靠性和服役壽命。熱障涂層是迄今為止最復(fù)雜的涂層體系之一，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高溫合金基體、金屬粘結(jié)底層、陶瓷面層及零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和服役工況作為一個(gè)整體來(lái)考慮，選擇合適的涂層材料和涂層工藝，以提高界面匹配性和環(huán)境適應(yīng)性，提升熱障涂層綜合性能。此外，還需要加強(qiáng)抗CMAS損傷熱障涂層技術(shù)、熱障涂層去除技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)和新型涂層制備關(guān)鍵技術(shù)研究，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全可靠飛行保駕護(hù)航。