航天发动机叶片TBC系统

作为继蒸汽机和内燃机之后的新一代动力装置，燃气轮机集气动系统设计、精密加工技术、先进材料开发等一系列高新科技于一身，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，是衡量 一个国家重工业发展水平的重要标志，同时也是一个国家综合国力的有力体现。因此，发达 国家始终将燃气轮机的制造技术列为保证国防和能源安全的战略产业，目前国际上只有GE、 西门子和三菱重工三家垄断企业具备燃气轮机的制造能力。而我国在燃气轮机制造技术方面 尚处于起步阶段，基本依靠“捆绑招标”的形式以市场换技术，核心技术环节的自主研发能 力仍然严重不足。随着“两机重大专项”和国家2025计划推进，我国科研人员正在向这颗 “皇冠上的明珠”发起冲锋，而高性能材料的设计与制造在其中也扮演着重要的角色。

随着燃气轮机向高流量比、高推重比和高效率的方向发展，燃气轮机的工作温度也在不 断提高。以三菱重工研发的M501J型燃气轮机为例，透平进口温度已经达到1600°C，而高推重比战斗机中的发动机工作温度甚至可以达到2000°C以上。然而，应用于燃气轮机高温部分的镍基合金极限工作温度通常不超过 1000°C，因此对高温部件，特别是透平动 叶片的热防护，是保证燃气轮机使用寿命和热效率的关键技术。

目前，燃气轮机高温部件热防护的重要手段主要有气膜冷却技术和热障涂层技术相结合 的技术。前者主要通过合金叶片内部的复杂气流通道将冷却空气引入主流，可以使叶片表面 温度降低100~200°C。然而，这样的冷却效果仍然无法满足燃气轮机工作温度的要求，同时冷却气膜还会带走高温燃气的部分热量，限制燃气轮机的热效率。

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，TBCs)就是在合金叶片表面制备一层“热的障 碍”，从而实现对合金叶片的保护。目前，先进的热障涂层可以使合金表面温度下降 200~300 °C。如图1所示，热障涂层通常具有双层结构，包括承担了绝大部分温度梯度的 陶瓷层(topcoat)，约为100-400μm，以及在陶瓷层与基体之间提供结合强度的合金粘结 层(bondcoat)，约为100μm。高温环境下，氧通过陶瓷层与过渡层中的金属元素结合， 还会在陶瓷层和合金粘结层之间的界面处形成一层以α-Al2O3为主的热生长氧化层。这层热 障涂层除了承担内部高达1°C/μm的温度梯度外，热障涂层还需要承担高温热循环过程中 产生的应力应变，抵抗夹杂颗粒物的高速冲击以及高温燃气的热化学腐蚀。为了保持优异的 热防护效果和使用寿命，热障涂层材料需要具备以下几个关键性能：低热导率、高稳定性、 高热膨胀系数、优异的综合力学性能等等。