常 偉 紀艷玲 袁文明

（北京航空材料研究院，北京 100095）

航空發(fā)動機是飛機的關鍵部件，是衡量飛機發(fā)展水平的重要標志之一。隨著航空發(fā)動機推重比的增加，航空發(fā)動機燃燒室、渦輪機和壓氣機等的溫度大幅提升，尤其是渦輪進口溫度幾乎以每年15℃的速度增加，即使采用先進的定向凝固高溫合金和單晶高溫合金作為渦輪葉片，并輔助以先進的冷卻技術，也難以滿足抗氧化、隔熱、耐腐蝕等的實際要求。因此，高溫防護涂層的研制就成為不容忽視的關鍵技術之一，可以為航空發(fā)動機熱端部件提供必要的防護作用[1]。

高溫防護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)有型號和預研型號的航空發(fā)動機都涂覆有某些種類的高溫防護涂層，且對涂層的性能提出了越來越高的要求，使得高溫防護涂層事實上成為航空發(fā)動機不可或缺的組成部分。雖然國內(nèi)外航空發(fā)動機高溫防護涂層的發(fā)展極其迅速，很多企業(yè)在選材和結構設計、制備技術、性能檢測和評價方面制定了內(nèi)部標準或規(guī)范，但是相關的行業(yè)標準和國家標準卻極其缺乏，已經(jīng)不能滿足高溫防護涂層蓬勃發(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)一的標準對研制和生產(chǎn)加以指導和規(guī)范，不利于航空發(fā)動機高溫防護涂層相關技術的快速發(fā)展。

為了更好地滿足航空發(fā)動機高溫防護涂層的發(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)展趨勢進行分析，并著重分析該領域內(nèi)現(xiàn)有標準的情況，進而提出今后航空發(fā)動機高溫防護涂層標準的制修訂建議。

1 航空發(fā)動機高溫防護涂層技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前，航空發(fā)動機高溫防護涂層主要應用于渦輪工作葉片、渦輪導向葉片和燃燒室內(nèi)襯等部位的高溫合金或其他高溫結構材料的表面，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。高溫防護涂層可以分為擴散型涂層、包覆型涂層、熱障涂層[2]和環(huán)境障涂層[3]4大類，常見的涂層成分和制備方法見表1[2]。

表1所列的常見涂層反映了航空發(fā)動機高溫防護涂層的發(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；熱障涂層的粘結層則通常采用改性鋁化物涂層或者MCrAlY系列涂層，起到抗氧化和提高陶瓷面層與基體材料界面結合性能的作用，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。

表1 航空發(fā)動機高溫防護涂層的常見種類和制備方法[2]

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)動機服役條件下的防護需求。硅基非氧化物陶瓷材料在干燥氣氛中，具有高達1500℃以上的長期服役溫度上限，被認為是極具發(fā)展?jié)摿Φ暮娇瞻l(fā)動機用結構材料[3]。在國外某些新型航空發(fā)動機中，硅基非氧化物陶瓷材料已經(jīng)開始被用作燃燒室內(nèi)襯等部位的結構材料，預計未來更高推重比的航空發(fā)動機導向葉片上也將有較好的應用前景。但是NASA等的研究表明[4]，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，導致表面化學穩(wěn)定性急劇下降。環(huán)境障涂層則可以在發(fā)動機服役條件下，將發(fā)動機內(nèi)的高溫水蒸汽與硅基非氧化物陶瓷材料隔離開來，進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)的質量穩(wěn)定性得到了大幅提高。伴隨著渦輪機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、低熱導率、熱輻射屏蔽等方向發(fā)展[5-7]；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上，對熱障涂層體系進行改進，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[8]。為了更好地滿足硅基非氧化物陶瓷的防護需求，環(huán)境障涂層逐漸向著增強涂層高溫相穩(wěn)定性、改善水蒸汽防護性能和延長涂層高溫氧化壽命的方向發(fā)展。

2 航空發(fā)動機高溫防護涂層標準現(xiàn)狀

高溫防護涂層技術包含3個主要方向：涂層材料及涂層結構設計、涂層制備技術、涂層性能測試和評價。由于航空發(fā)動機高溫防護涂層的重要性和技術保密需求，目前相應的行業(yè)標準和國家標準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規(guī)范主要為企業(yè)內(nèi)部標準，僅有為數(shù)不多的相關行業(yè)標準和國家標準。在調(diào)研過程中，國外標準主要參考了ISO標準和ASTM和AMS標準，國內(nèi)標準主要包括GB、GJB、HB和QJ標準。

2.1 涂層規(guī)范和制備工藝標準

涂層規(guī)范指涂層的成分和結構設計、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；熱障涂層整體結構設計、各層結構設計和底涂層成分設計；EBC涂層各層成分和結構設計；涂層的各項性能指標。

總的來說，為了滿足更加苛刻的服役條件下的高溫防護需求，高溫防護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、雙粘結層結構等設計復雜、結構巧妙的涂層結構，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規(guī)范。由于涂層體系的復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用不同的制備技術。

2.1.1 國內(nèi)外現(xiàn)有行業(yè)（或協(xié)會）以上標準

國內(nèi)外航空發(fā)動機高溫防護涂層材料和制備工藝的行業(yè)及以上標準見表2。表2表明4大類高溫防護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，制備技術的標準也僅僅涵蓋了個別常見的高溫防護涂層。

表2 國內(nèi)外高溫防護涂層材料和工藝的行業(yè)及以上標準

2.1.2 國內(nèi)現(xiàn)有企業(yè)標準

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

2.2 涂層性能測試和評價標準

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

3 航空發(fā)動機高溫防護涂層標準需求與制修訂建議

3.1 涂層規(guī)范和制備工藝標準需求

航空發(fā)動機高溫防護涂層的涂層規(guī)范和制備工藝規(guī)范嚴重缺乏，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制備熱障涂層面層、等離子噴涂技術制備環(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，標準的制定工作嚴重滯后于科研生產(chǎn)的發(fā)展情況；

鑒于實際需求，目前的標準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準需求

航空發(fā)動機高溫防護涂層的性能檢測標準相對較為完善，但是仍然存在以下問題：

一是缺乏熱導率、熱擴散系數(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；

表3 國內(nèi)航空發(fā)動機高溫防護涂層常用測試標準

三是力學性能測試方面，大量借鑒了拉伸、蠕變等無涂層試樣的標準，未針對高溫防護涂層試樣的國家標準和行業(yè)標準進行相應的修訂。

3.3 高溫防護涂層標準制修訂建議

鑒于航空發(fā)動機高溫防護涂層標準制修訂現(xiàn)狀，應該結合航空發(fā)動機的實際需求和發(fā)展趨勢，在建立和完善相關單位企業(yè)標準的同時，充分認識到標準制修訂工作的重要性，加快行業(yè)標準和國家標準制修定的步伐，逐步改變目前以性能測試標準為主、其它標準嚴重缺乏的現(xiàn)狀。在標準制定過程中，要充分考慮單晶高溫合金等新興基體材料的應用對高溫防護涂層及其制備工藝，甚至是涂層性能要求的影響，盡量增強標準的適用性。

涂層規(guī)范方面：結合航空發(fā)動機高溫防護涂層的現(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)范的制修訂工作進度，實現(xiàn)搶先占位。

涂層制備工藝方面：結合高溫防護涂層制備工藝的多元化趨勢，針對主要制備工藝進行標準的制修定工作，尤其是要填補電子束物理氣相沉積熱障涂層、化學氣相沉積內(nèi)外腔涂層方面的空白。

涂層性能測試和評價方面：進一步完善涂層性能測試和評價標準，加緊標準制定工作，填補仍然存在的空白領域，例如室溫彎曲和熱導率；同時逐步改變帶涂層試樣部分常規(guī)性能測試（例如一些力學性能測試）依賴無涂層金屬試樣標準的現(xiàn)狀，針對涂層測試的實際需求，對對應的性能測試標準做出修訂或補充制定。

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