熱障涂層技術(shù)對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵部件服役溫度的效果研究-畢業(yè)論-資料下載頁(yè)
2025-06-04 08:33本頁(yè)面
【正文】 這種情況下，為了滿(mǎn)足燃?xì)鉁u輪機(jī)對(duì)材料更苛刻的性能要求以及提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，利用熱障涂層 (Thermal Barrier Coatings, 簡(jiǎn)稱(chēng) TBCs)的隔熱特性 降低葉片基底溫度這一技術(shù)在國(guó)外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，熱障涂層在提高發(fā)動(dòng)機(jī)部件服役溫度方面是十分有效的。據(jù)報(bào)道，在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片上涂覆一層厚度為 250μ m 的熱障陶瓷涂層，就可以使鎳基合金的溫度下降 110~170176。 C，這相當(dāng)于過(guò)去 20 多年改進(jìn)耐高溫合金材料獲得的收效總和。圖 將發(fā)動(dòng)機(jī)葉片制備技術(shù)和熱障涂層技術(shù)對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)葉片服役溫度進(jìn)行了對(duì)比。由此可以看出，與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料制備技術(shù)的改進(jìn)對(duì)比，熱障涂層技術(shù)對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵部件服役溫度的效果更為顯著。 熱障涂層的概述 熱障涂層的概念 1953年美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA)研究中心提出了熱障涂層的概念，它主要是利用陶瓷材料具有熔點(diǎn)高、熱傳導(dǎo)率低、輻射率低和反射率高等特點(diǎn)，將陶瓷粉末噴涂或沉積在高溫合金熱端部件表面 (尤其是渦輪葉片 )，以降低高溫部件的工作溫度，大大延長(zhǎng)高溫部件的使用壽命，使現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫合金部件在高于其熔點(diǎn)溫度的服役環(huán)境中工作成為可能，進(jìn)而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。美國(guó) N. 等人在 Science上指出：熱障涂層系統(tǒng)是所有涂層系統(tǒng)中結(jié) 構(gòu)最復(fù)雜的，也是最急需應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和工業(yè)渦輪機(jī)內(nèi)高溫部件的一種隔熱涂層。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，熱障涂層系統(tǒng)發(fā)展成一個(gè)典型的多層復(fù)合系統(tǒng)，主要包括四層材料：耐高溫鎳基合金基底(Nisuperalloy substrate)、粘結(jié)層 (Bond Coat, 簡(jiǎn)稱(chēng) BC)、熱生長(zhǎng)氧化層 (Thermally Grown Oxide, 簡(jiǎn)稱(chēng) TGO)和陶瓷涂層，典型的熱障涂層截面結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。目前應(yīng)用最廣泛、研究最多的陶瓷涂層材料為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)分為 6%~8%的 Y2O3部分穩(wěn)定的 ZrO2(簡(jiǎn) 6~8YSZ)。與其他陶瓷材 料相比， ZrO2 具有高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高的斷裂韌性、高的熱膨脹系數(shù)、良好的耐高溫腐蝕性、耐磨性以及較低的熱導(dǎo)率；ZrO2 的熱膨脹系數(shù)與粘結(jié)層材料的熱膨脹系數(shù)較為相近，所以由熱失配引起的應(yīng)力相對(duì)較?。淮送?，添加少量的 Y2O3，可以使 YSZ 材料的熱導(dǎo)率更低，抑制 ZrO2 相變，增加熱障涂層的穩(wěn)定性，提高抗熱沖擊的性能，起到良好的隔熱作用。 BC 層主要為 MCrAlY 合金，其中 M 代表 Ni、 Co 或 Ni+Co。它可以緩解陶瓷涂層和基體的熱膨脹不匹配，同時(shí)也可以提高基底的抗氧化抗腐蝕能力。在長(zhǎng)時(shí)間的高溫服役環(huán)境下， BC 層的 Al 向外擴(kuò)散，與氧氣發(fā)生反應(yīng)后生成致密的氧化物 (Al2O3)，這就是 TGO 的主要成分。 TGO 的生成可以阻止高溫燃?xì)鈱?duì)粘結(jié)層之下的耐高溫金屬材料的進(jìn)一步氧化，但會(huì)顯著影響熱障涂層的使用壽命影響。當(dāng)其厚度超過(guò) 8~10μ m，涂層便會(huì)開(kāi)始脫落 。
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