唐治虎

（中國(guó)航發(fā)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

熱障涂層是一種常用的設(shè)備隔熱技術(shù)，通過對(duì)設(shè)備表面涂抹熱障涂層可以有效降低設(shè)備的運(yùn)行溫度，同時(shí)使其具有更強(qiáng)的耐熱性。而在熱障涂層中最常使用的便是陶瓷涂層，這不僅僅是由于陶瓷具有較好的隔熱性能，同時(shí)也是由陶瓷涂層的成本更低所決定的。通過在設(shè)備表面添加陶瓷涂層既可以使其得以在高溫環(huán)境中運(yùn)行，甚至還可以使其熱效率達(dá)到60%以上。此外，隨著熱障涂層技術(shù)應(yīng)用的逐步廣泛，人們也發(fā)現(xiàn)熱障涂層技術(shù)既可以有效提升設(shè)備的耐熱性，同時(shí)也可以有效提升其硬件設(shè)施的耐腐蝕性。因此，通過利用熱障涂層技術(shù)不僅僅可以有效提升各類設(shè)備的工作效率，同時(shí)更可以提升其使用年限。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料的作用

在上文中提到熱障涂層材料的主要作用是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱性及散熱性等，從而促使航空發(fā)動(dòng)機(jī)得以在高溫環(huán)境下保持較高的性能。然而除此之外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層材料的應(yīng)用也可以有效提升氣冷葉片的工作效率。氣冷葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)中極為重要的組成設(shè)備之一，其可以通過高速旋轉(zhuǎn)，從而促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的空氣流通，進(jìn)而將航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫氣體排出。而熱障涂層材料在氣冷葉片中的應(yīng)用不僅僅可以有效避免高溫氣體出現(xiàn)回流的現(xiàn)象，同時(shí)更可以提升氣冷葉片的耐熱性及耐腐蝕性等，進(jìn)而有效提升其使用壽命。第二，熱障涂層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度。眾所周知，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，因此通過提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度既可以提升發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，促使其發(fā)揮更好的性能，同時(shí)其也可以有效降低對(duì)航空燃油的損耗。第三，熱障涂層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用也可以延長(zhǎng)其中各類零部件的使用壽命。由于熱障涂層材料不僅僅具有較強(qiáng)的耐熱性，同時(shí)還具有一定的耐腐蝕性以及抗氧化性等。因此，通過對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用也可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)中的零部件出現(xiàn)氧化以及腐蝕等現(xiàn)象，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限。第四，通過在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用熱障涂層材料也可以降低壓氣機(jī)的冷卻氣流量，從而降低飛機(jī)在飛行過程中的耗油量。最后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中熱障涂層材料的應(yīng)用也可以對(duì)現(xiàn)有冷卻通道的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化與簡(jiǎn)化。由于熱障涂層材料的應(yīng)用可以降低冷卻氣流的流量，因此在應(yīng)用熱障涂層材料后便可以適當(dāng)降低葉片的加工成本，從而對(duì)現(xiàn)有的冷卻通道進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2 熱障涂層的結(jié)構(gòu)

通常航空發(fā)動(dòng)機(jī)中所常用的熱障涂層結(jié)構(gòu)大致有以下三種，其分別是雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)以及梯度系統(tǒng)。在以上三種熱障涂層結(jié)構(gòu)中最為常見的便是雙層結(jié)構(gòu)，雙層結(jié)構(gòu)主要由陶瓷涂層以及粘結(jié)層所構(gòu)成。其中陶瓷層可以有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)外層的隔熱性，從而使其得以在高溫環(huán)境下發(fā)揮出優(yōu)異的性能。而粘結(jié)層則可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的硬件設(shè)備提供更強(qiáng)的耐腐蝕性以及抗氧化性等，從而有效降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)生銹以及損壞的可能性。同時(shí)，與其余兩種熱障涂層結(jié)構(gòu)相比，雙層結(jié)構(gòu)還具有耐熱性更強(qiáng)以及施工成本降低等諸多優(yōu)點(diǎn)。多層結(jié)構(gòu)與雙層結(jié)構(gòu)相比其在熱障涂層結(jié)構(gòu)中具有多層陶瓷層，并且在每?jī)蓪犹沾蓪又g還具有一些封阻層等。這樣的設(shè)計(jì)雖然導(dǎo)致了施工成本及施工難度的增加，但是其也可以為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供更好的隔熱性以及耐腐蝕性等，從而更好地保護(hù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層體系

3.1 陶瓷表層材料

陶瓷表層材料是航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層體系中極為重要的一部分，其不僅僅被廣泛應(yīng)用于雙層結(jié)構(gòu)中，同時(shí)在多層結(jié)構(gòu)以及梯度系統(tǒng)中也具有極為廣泛的應(yīng)用。通過對(duì)陶瓷表層材料進(jìn)行應(yīng)用不僅僅可以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的表層進(jìn)行一定的保護(hù)，同時(shí)更可以提升其隔熱性。而為了更好地加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的抗熱性，工程師在選用陶瓷表層材料的過程中不僅僅需要考慮到其陶瓷材料的熔點(diǎn)以及熱反射率，同時(shí)更需要考慮到陶瓷材料的抗熱性、抗氧化性等。這是由于若是陶瓷表層材料無法具備較高的熔點(diǎn)以及熱反射率等，那么其在高溫環(huán)境中極有可能會(huì)出現(xiàn)龜裂以及融化等現(xiàn)象。這一現(xiàn)象不僅僅會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接暴露在高溫環(huán)境中，同時(shí)還會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成一定的影響。而陶瓷表層材料的抗腐蝕性以及抗氧化性等也會(huì)對(duì)熱障涂層體系的使用年限以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限等造成極為嚴(yán)重的影響[4]。

3.2 粘結(jié)層材料

粘結(jié)層材料同樣也是熱障涂層體系中較為重要的一部分，其通常被用于雙層以及多層熱障涂層體系中。在上文中提到粘結(jié)層材料的主要作用是為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供較高的抗氧化性以及抗腐蝕性等，從而延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。此外，粘結(jié)層材料的使用也可以有效避免陶瓷層材料與航空發(fā)動(dòng)機(jī)表層金屬出現(xiàn)不適配的現(xiàn)象。正是由于粘結(jié)層材料具有以上幾種作用，因此工程師在選用粘結(jié)層材料時(shí)不僅僅需要考慮到其在常溫環(huán)境下的抗氧化性以及耐腐蝕性等，同時(shí)更需要考慮到粘結(jié)層材料在高溫環(huán)境以及多種溫度環(huán)境中的抗腐蝕性等。并且，由于粘結(jié)層還擔(dān)負(fù)著連接陶瓷層以及金屬基體的重要作用，因此其相關(guān)材料所具有的抗熱性以及穩(wěn)固性等也十分重要。

4 熱障涂層失效模式研究

雖然熱障涂層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用可以有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)表層金屬的隔熱性以及抗腐蝕性、抗氧化性等，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限。但熱障涂層材料在某些特定的環(huán)境中也會(huì)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，常用的雙層熱障涂層在1100℃以及30min加熱環(huán)境、5min的空氣冷卻中將會(huì)出現(xiàn)一定程度的龜裂現(xiàn)象。并且，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，熱障涂層中所出現(xiàn)的破損點(diǎn)也在逐步增加。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因便是由于在高溫環(huán)境中陶瓷涂層以及粘結(jié)涂層中間出現(xiàn)了一定的組織應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其導(dǎo)致熱障涂層出現(xiàn)了大量的皺紋，進(jìn)而使得其表層出現(xiàn)了大量的裂縫。同時(shí)，粘結(jié)層由于受到高溫影響所產(chǎn)生的快速養(yǎng)護(hù)也會(huì)導(dǎo)致熱障涂層產(chǎn)生龜裂以及破損等，從而導(dǎo)致熱障涂層的失效[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，飛機(jī)中航空發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不僅僅會(huì)導(dǎo)致其性能釋放受到一定的阻礙，同時(shí)更會(huì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。而為了解決這一問題，工程師首要解決的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高這一問題。在面對(duì)這一問題時(shí)，工程師不僅僅需要加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱，同時(shí)更需要提升發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱性，而這需要使用熱障涂層技術(shù)。當(dāng)前最為常見的熱障涂層技術(shù)便是陶瓷層熱障涂層技術(shù)，其不僅僅可以有效加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的隔熱性，同時(shí)更具有較低的成本。然而，陶瓷涂層在使用過程中也會(huì)出現(xiàn)與某些基體不適配的現(xiàn)象。這時(shí)便需要使用粘結(jié)層材料的熱障涂層。通過利用這一涂層不僅僅可以有效緩解陶瓷涂層所出現(xiàn)的不適配問題，同時(shí)更可以加強(qiáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的抗氧化性，從而有效提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用年限。雖然熱障涂層技術(shù)的使用可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)的抗熱性及散熱性等，但其在某些特定環(huán)境中也會(huì)出現(xiàn)失效的現(xiàn)象。因此，工程師仍應(yīng)加強(qiáng)對(duì)熱障涂層材料體系的研究，相信在不久的將來我國(guó)將會(huì)出現(xiàn)更加優(yōu)異的熱障涂層材料。