航空發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)推重比的增加，航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guó)內(nèi)外幾乎所有現(xiàn)有型號(hào)和預(yù)研型號(hào)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)都涂覆有某些種類的高溫防護(hù)涂層，且對(duì)涂層的性能提出了越來(lái)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(dòng)機(jī)不可或缺的組成部分。雖然國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)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(jì)、制備技術(shù)、性能檢測(cè)和評(píng)價(jià)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(guó)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(guó)內(nèi)多家科研單位各自為戰(zhàn)，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研制和生產(chǎn)加以指導(dǎo)和規(guī)范，不利于航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)其現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(lái)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(guó)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)機(jī)用結(jié)構(gòu)材料。在國(guó)外某些新型航空發(fā)動(dòng)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(jì)未來(lái)更高推重比的航空發(fā)動(dòng)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(huì)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(dòng)機(jī)服役條件下，將發(fā)動(dòng)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(lái)，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(duì)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(zhǎng)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(duì)熱障涂層體系進(jìn)行改進(jìn)，以提高熱障涂層對(duì)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(zhǎng)涂層高溫氧化壽命的方向發(fā)展。
2航空發(fā)動(dòng)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(gè)主要方向：涂層材料及涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層制備技術(shù)、涂層性能測(cè)試和評(píng)價(jià)。由于航空發(fā)動(dòng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要集中于涂層的性能測(cè)試方面，且未能完全涵蓋高溫防護(hù)涂層常規(guī)性能測(cè)試項(xiàng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)研過(guò)程中，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)主要參考了ISO標(biāo)準(zhǔn)和ASTM和AMS標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)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(jì)、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(jì)、各層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和底涂層成分設(shè)計(jì)；EBC涂層各層成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；涂層的各項(xiàng)性能指標(biāo)。
總的來(lái)說(shuō)，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(jì)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)有行業(yè)（或協(xié)會(huì)）
以上標(biāo)準(zhǔn)國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)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(gè)別常見的高溫防護(hù)涂層。
2.1.2國(guó)內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)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(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司等多家單位也編寫了一定量?jī)?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(jí)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(xiàng)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(cè)試方法。
2.2涂層性能測(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層的性能測(cè)試主要分力學(xué)性能、熱學(xué)性能、界面結(jié)合性能等幾個(gè)方面，目前國(guó)內(nèi)測(cè)試分析主要采用的國(guó)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(dòng)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(cè)試等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的空白，并且針對(duì)帶高溫防護(hù)涂層試樣，對(duì)一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了針對(duì)性的修訂。
3航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guó)家級(jí)規(guī)范，對(duì)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(cè)試和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)需求
航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層的性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較為完善，但是仍然存在以下問(wèn)題：
一是缺乏熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)等隔熱性能測(cè)試、室溫彎曲和涂層外觀測(cè)試的行業(yè)級(jí)及以上規(guī)范；
二是環(huán)境障涂層是新發(fā)展起來(lái)的涂層，沒有全面性能要求和抗水蒸汽性能測(cè)試的規(guī)范；
三是力學(xué)性能測(cè)試方面，大量借鑒了拉伸、蠕變等無(wú)涂層試樣的標(biāo)準(zhǔn)，未針對(duì)高溫防護(hù)涂層試樣的國(guó)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(dòng)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(dòng)機(jī)的實(shí)際需求和發(fā)展趨勢(shì)，在建立和完善相關(guān)單位企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，充分認(rèn)識(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制修定的步伐，逐步改變目前以性能測(cè)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(guò)程中，要充分考慮單晶高溫合金等新基體材料的應(yīng)用對(duì)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(dòng)機(jī)高溫防護(hù)涂層的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)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(shì)，針對(duì)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(cè)試和評(píng)價(jià)方面：進(jìn)一步完善涂層性能測(cè)試和評(píng)價(jià)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(shí)逐步改變帶涂層試樣部分常規(guī)性能測(cè)試（例如一些力學(xué)性能測(cè)試）依賴無(wú)涂層金屬試樣標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，針對(duì)涂層測(cè)試的實(shí)際需求，對(duì)對(duì)應(yīng)的性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)做出修訂或補(bǔ)充制定。
?