航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的關(guān)鍵部件，是衡量飛機(jī)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的增加，航空發(fā)動機(jī)燃燒室、渦輪機(jī)和壓氣機(jī)等的溫度大幅提升，尤其是渦輪進(jìn)口溫度幾乎以每年15℃的速度增加，即使采用先進(jìn)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(jìn)的冷卻技術(shù)，也難以滿足抗氧化、隔熱、耐腐蝕等的實(shí)際要求。因此，高溫防護(hù)涂層的研制就成為不容忽視的關(guān)鍵技術(shù)之一，可以為航空發(fā)動機(jī)熱端部件提供必要的防護(hù)作用。

高溫防護(hù)涂層的研究距今已有數(shù)十年的歷史，目前國內(nèi)外幾乎所有現(xiàn)有型號和預(yù)研型號的航空發(fā)動機(jī)都涂覆有某些種類的高溫防護(hù)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(hù)涂層事實(shí)上成為航空發(fā)動機(jī)不可或缺的組成部分。雖然國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的發(fā)展極其迅速，很多企業(yè)在選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計、制備技術(shù)、性能檢測和評價方面制定了內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，但是相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)卻極其缺乏，已經(jīng)不能滿足高溫防護(hù)涂層蓬勃發(fā)展的需求。目前國內(nèi)多家科研單位各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對研制和生產(chǎn)加以指導(dǎo)和規(guī)范，不利于航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。

為了更好地滿足航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的發(fā)展需求，制備出性能穩(wěn)定的涂層，本文擬對其現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，并著重分析該領(lǐng)域內(nèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況，進(jìn)而提出今后航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層標(biāo)準(zhǔn)的制修訂建議。

1航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層主要應(yīng)用于渦輪工作葉片、渦輪導(dǎo)向葉片和燃燒室內(nèi)襯等部位的高溫合金或其他高溫結(jié)構(gòu)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(nèi)腔涂層、環(huán)境障涂層等。高溫防護(hù)涂層可以分為擴(kuò)散型涂層、包覆型涂層、熱障涂層和環(huán)境障涂層4大類，常見的涂層成分和制備方法見表1。

 

表1 航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的常見種類和制備方法

表1所列的常見涂層反映了航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的發(fā)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(xiàn)的環(huán)境障涂層。其中擴(kuò)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(jié)層則常采用改性鋁化物涂層或者M(jìn)CrAlY系列涂層，起到抗氧化和提高陶瓷面層與基體材料界面結(jié)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。

環(huán)境障涂層的出現(xiàn)主要是為了滿足硅基非氧化物陶瓷材料在航空發(fā)動機(jī)服役條件下的防護(hù)需求。硅基非氧化物陶瓷材料在干燥氣氛中，具有高達(dá)1500℃以上的長期服役溫度上限，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿Φ暮娇瞻l(fā)動機(jī)用結(jié)構(gòu)材料。在國外某些新型航空發(fā)動機(jī)中，硅基非氧化物陶瓷材料已經(jīng)開始被用作燃燒室內(nèi)襯等部位的結(jié)構(gòu)材料，預(yù)計未來更高推重比的航空發(fā)動機(jī)導(dǎo)向葉片上也將有較好的應(yīng)用前景。但是NASA等的研究表明，硅基非氧化物陶瓷材料在高溫水蒸汽環(huán)境下，會和水蒸汽發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致表面化學(xué)穩(wěn)定性急劇下降。環(huán)境障涂層則可以在發(fā)動機(jī)服役條件下，將發(fā)動機(jī)內(nèi)的高溫水蒸汽與硅基非氧化物陶瓷材料隔離開來，進(jìn)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(jīng)相對較為深入，一些單位小批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性得到了大幅提高。伴隨著渦輪機(jī)服役溫度的快速提升，熱障涂層已經(jīng)在目前普遍使用的粘結(jié)層/氧化鋯部分穩(wěn)定的氧化釔涂層體系，向著長壽命、低熱導(dǎo)率、熱輻射屏蔽等方向發(fā)展；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(chǔ)上，對熱障涂層體系進(jìn)行改進(jìn)，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。為了更好地滿足硅基非氧化物陶瓷的防護(hù)需求，環(huán)境障涂層逐漸向著增強(qiáng)涂層高溫相穩(wěn)定性、改善水蒸汽防護(hù)性能和延長涂層高溫氧化壽命的方向發(fā)展

2航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

高溫防護(hù)涂層技術(shù)包含3個主要方向：涂層材料及涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計、涂層制備技術(shù)、涂層性能測試和評價。由于航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的重要性和技術(shù)保密需求，目前相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)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(hù)涂層常規(guī)性能測試項目；涂層規(guī)范和涂層制備工藝相關(guān)規(guī)范主要為企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，僅有為數(shù)不多的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)研過程中，國外標(biāo)準(zhǔn)主要參考了ISO標(biāo)準(zhǔn)和ASTM和AMS標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要包括GB、GJB、HB和QJ標(biāo)準(zhǔn)。

2.1涂層規(guī)范和制備工藝標(biāo)準(zhǔn)

涂層規(guī)范指涂層的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計、涂層性能要求方面的規(guī)范，主要包括：抗氧化金屬合金涂層的成分；熱障涂層整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、各層結(jié)構(gòu)設(shè)計和底涂層成分設(shè)計；EBC涂層各層成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計；涂層的各項性能指標(biāo)。

總的來說，為了滿足更加苛刻的服役條件下的高溫防護(hù)需求，高溫防護(hù)涂層逐漸向著多元化、多層化的方向發(fā)展，出現(xiàn)了多種新型改性涂層材料，熱障涂層更是出現(xiàn)了微疊層、雙陶瓷層、雙粘結(jié)層結(jié)構(gòu)等設(shè)計復(fù)雜、結(jié)構(gòu)巧妙的涂層結(jié)構(gòu)，而EBC涂層也已經(jīng)發(fā)展至第三代。

制備工藝規(guī)范指涂層的制備技術(shù)規(guī)范。由于涂層體系的復(fù)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(yīng)用不同的制備技術(shù)。

2.1.1國內(nèi)外現(xiàn)有行業(yè)（或協(xié)會）

以上標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層材料和制備工藝的行業(yè)及以上標(biāo)準(zhǔn)見表2。表2表明4大類高溫防護(hù)涂層材料和制備工藝缺乏系統(tǒng)的規(guī)范，基本沒有熱障涂層和環(huán)境障涂層的涂層規(guī)范，制備技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)也僅僅涵蓋了個別常見的高溫防護(hù)涂層。

 

表2 國內(nèi)外高溫防護(hù)涂層材料和工藝的行業(yè)及以上標(biāo)準(zhǔn)

 

2.1.2國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)北京航空材料研究院、北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司等多家單位也編寫了一定量內(nèi)部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足各自的實(shí)際需求，在一定程度上彌補(bǔ)了行業(yè)及其以上級別標(biāo)準(zhǔn)的缺乏。其中，北京航空材料研究院自20世紀(jì)80年代起，就結(jié)合自身科研需求，編寫相應(yīng)的高溫防護(hù)涂層材料規(guī)范和工藝規(guī)范，至今為止，已有50余項相關(guān)內(nèi)部企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)涂層的部分性能測試方法。

2.2涂層性能測試和評價標(biāo)準(zhǔn)

航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的性能測試主要分力學(xué)性能、熱學(xué)性能、界面結(jié)合性能等幾個方面，目前國內(nèi)測試分析主要采用的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)見表3。此外，一些從事航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層研制工作的單位也編制了一定量的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)了諸如熱導(dǎo)率測試等測試標(biāo)準(zhǔn)的空白，并且針對帶高溫防護(hù)涂層試樣，對一些國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了針對性的修訂。

 

表3 國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層常用測試標(biāo)準(zhǔn)

 

3航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層標(biāo)準(zhǔn)需求與制修訂建議

3.1涂層規(guī)范和制備工藝標(biāo)準(zhǔn)需求

航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的涂層規(guī)范和制備工藝規(guī)范嚴(yán)重缺乏，主要體現(xiàn)在下列方面。目前僅有部分鋁化物涂層的制備工藝規(guī)范，缺乏其它常用制備工藝規(guī)范，例如電子束物理氣相沉積技術(shù)制備熱障涂層面層、等離子噴涂技術(shù)制備環(huán)境障涂層的BSAS層；缺乏涂層材料的行業(yè)和國家級規(guī)范，對熱障涂層和環(huán)境障涂層基本沒有涉及，標(biāo)準(zhǔn)的制定工作嚴(yán)重滯后于科研生產(chǎn)的發(fā)展情況；鑒于實(shí)際需求，目前的標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作主要是
在企業(yè)層面開展，而未能改變多家單位各自為戰(zhàn)的現(xiàn)狀。

3.2涂層性能測試和評價標(biāo)準(zhǔn)需求

航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的性能檢測標(biāo)準(zhǔn)相對較為完善，但是仍然存在以下問題：一是缺乏熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等隔熱性能測試、室溫彎曲和涂層外觀測試的行業(yè)級及以上規(guī)范；二是環(huán)境障涂層是新發(fā)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(guī)范；三是力學(xué)性能測試方面，大量借鑒了拉伸、蠕變等無涂層試樣的標(biāo)準(zhǔn)，未針對高溫防護(hù)涂層試樣的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的修訂。

3.3高溫防護(hù)涂層標(biāo)準(zhǔn)制修訂建議

鑒于航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層標(biāo)準(zhǔn)制修訂現(xiàn)狀，應(yīng)該結(jié)合航空發(fā)動機(jī)的實(shí)際需求和發(fā)展趨勢，在建立和完善相關(guān)單位企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時，充分認(rèn)識到標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作的重要性，加快行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)制修定的步伐，逐步改變目前以性能測試標(biāo)準(zhǔn)為主、其它標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀。在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，要充分考慮單晶高溫合金等新基體材料的應(yīng)用對高溫防護(hù)涂層及其制備工藝，甚至是涂層性能要求的影響，盡量增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的適用性。

涂層規(guī)范方面：結(jié)合航空發(fā)動機(jī)高溫防護(hù)涂層的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，對正在發(fā)展成熟且具有重要地位的涂層，例如環(huán)境障涂層和新型熱障涂層，加快涂層規(guī)范的制修訂工作進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)搶先占位。涂層制備工藝方面：結(jié)合高溫防護(hù)涂層制備工藝的多元化趨勢，針對主要制備工藝進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的制修定工作，尤其是要填補(bǔ)電子束物理氣相沉積熱障涂層、化學(xué)氣相沉積內(nèi)外腔涂層方面的空白。

涂層性能測試和評價方面：進(jìn)一步完善涂層性能測試和評價標(biāo)準(zhǔn)，加緊標(biāo)準(zhǔn)制定工作，填補(bǔ)仍然存在的空白領(lǐng)域，例如室溫彎曲和熱導(dǎo)率；同時逐步改變帶涂層試樣部分常規(guī)性能測試（例如一些力學(xué)性能測試）依賴無涂層金屬試樣標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，針對涂層測試的實(shí)際需求，對對應(yīng)的性能測試標(biāo)準(zhǔn)做出修訂或補(bǔ)充制定。(北京航空材料研究院 常偉、紀(jì)燕玲、袁文明)