這種新型航發熱障塗層材料最高使用溫度可達1800℃，全世界只有我國在做！
導語：
要想使航空發動機獲得更大的推重比，就必須提高發動機渦輪前的進口溫度，因此對航空發動機燃燒室、渦輪葉片等熱端部件的抗高溫能力的要求相應提高。在基體合金表面塗覆熱障塗層是有效提升其抗高溫能力的途徑之一 。昆明理工大學材料科學與工程學院馮晶教授的團隊目前正在研究一種新型陶瓷熱障塗層材料，有望使我國的熱障塗層技術在國際上產生跨越式、領跑式的發展。（結尾有彩蛋！）
航空製造網：熱障塗層對於航空發動機的重要性體現在哪些方面？國內熱障塗層的研究及應用處於怎樣的水平？
馮晶：航空發動機的重要技術是兩盤一片和熱障塗層，熱障塗層是四大關鍵核心技術之一。航空發動機的效率取決於溫度，溫度越高效率也越高，但提高發動機的使用溫度，要考慮材料是否耐受，目前發動機燃氣的燃燒溫度可以達到1500~1600℃，到達材料表面的溫度大概是1100℃左右。未來對於航空發動機的要求將越來越高，其使用溫度可能達到1800℃、2000℃，甚至更高。那面臨的一個問題，就是如何保證材料在這麼高的溫度下還能正常運轉。目前發動機最常用的材料是鎳基超高溫合金，其服役的最高溫度是1100℃左右，而且這個指標事實上還很難完成，那就需要使用熱障塗層讓其達到使用要求。
發動機葉片主要通過空冷的方法實現降溫，但我們還希望它能承受更多熱量，那就需要在鎳基高溫合金表面做一層陶瓷熱障塗層。
陶瓷的好處在於：它的熔點和強度比基體材料要更高，熱導率也更低，而低的熱導率會使燃氣和基體之間產生一個溫度梯度，這個溫度梯度值越大，材料所能承受的溫度極限就越高。
傳統的熱障塗層材料一般使用的是氧化鋯基陶瓷，在不同的使用部位和厚度的情況下，可以使材料承受的溫度降低50~150℃。氧化鋯基陶瓷的綜合性能非常好，廣泛應用於民航客機和軍用飛機，它對於航空飛行器的發展非常重要，是航空發動機上重要的熱障塗層材料。
氧化鋯陶瓷軸承
我們國內熱障塗層的研究和應用與國際先進水平相比還有較大的差距。以美國為例，在20 世紀50~60 年代，美國國防部和NASA 等就牽頭開始了熱障塗層的研究，在60~70 年代基本固定了材料的種類和生產工藝，在70~80 年代開始推廣應用。而我國開始熱障塗層的應用主要是在2000 年以後，那時我們從俄羅斯、烏克蘭等引入了一些相關的設備，較早研究熱障塗層的機構主要是中國航空工業下屬的航空企業和研究院所，以及包括北京航空航天大學在內的一些高校，經過10 多年的努力，進步非常大，現在我們已經可以把氧化鋯基的陶瓷材料塗敷在葉片、渦輪及其他一些關鍵部件上。
但是，塗層是一種非常複雜的工程，雖然已經開始應用，但是我們的經驗不足，所以導致我國航空發動機的質量和壽命還比不上國際一流的發動機產品，我們的技術還不夠成熟。美國的GE、英國的勞斯萊斯、日本三菱和德國的西門子是國際上塗層研究領域的領頭羊，他們在30 年前就基本完成了材料的研製，又在這30 年間積累了大量的經驗。而目前我國一些塗層材料剛剛研製成功並投入應用，要達到成熟的水平還需要時間和產品應用的經驗積累，並不斷完善。
航空製造網： 與其他塗層材料相比，您研究的新型高溫鐵彈相變增韌陶瓷材料具有哪些優勢？目前在航空航天等領域的應用情況如何？
馮晶：優勢是非常明顯的，剛才提到過目前國際上應用最廣泛的還是氧化鋯基材料，也有一小部分公司開始逐步應用稀土鋯酸鹽材料，但是鋯酸鹽有一個非常嚴重的問題，它的斷裂韌性很差，不能長時間工作，壽命比較短。相比而言，氧化鋯基陶瓷是非常優良的高溫材料。
那我們為什麼還要研發新的陶瓷材料，並認為氧化鋯基材料最終一定會被取代呢？這是因為氧化鋯基材料在1100~1200℃之間會發生一個相轉變，材料一旦發生相變，那它的晶體結構和性質會全部發生變化，在1200℃以下使用時，氧化鋯確實有比較良好的性質，但是隨著溫度超過1200℃並繼續升高，氧化鋯基材料的壽命會呈指數級下降。未來航空發動機的工作溫度可能達到2000℃，那我們就一定要製作1400~1500℃的熱障塗層，在這種條件下氧化鋯基材料是根本無法再使用的。
我們研製的新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料的最高使用溫度可以達到1600℃，甚至1800℃，是非常穩定的一種陶瓷，與氧化鋯基材料相比有三大優勢：
第一是熱導率低，它比氧化鋯基材料的熱導率低一半，也就是說氧化鋯降低100℃時，它能降低200℃，會產生一個較大的溫度梯度，對於保護髮動機葉片和其他部件效果明顯。
第二是鐵彈相變增韌，氧化鋯基材料在高溫下的增韌是由於它的鐵彈性，這是其優於其他陶瓷材料的一大特點，其他陶瓷材料在高溫下會變脆就是因為不具備這種鐵彈性。我們沿著這個思路來尋找新的材料，根據氧化鋯的晶體結構找到了稀土鉭酸鹽陶瓷，經過研究發現，稀土鉭酸鹽也具有這種鐵彈相變，會在高溫下形成鐵彈疇，在載入應力和釋放應力時它會像橡皮筋一樣不會馬上變形，從而起到應力緩衝作用，大大提高了材料的高溫斷裂韌性。換句話說，就是在高溫下它不會那麼容易變脆，大幅提高了材料壽命。
第三是兩者的低熱導率機制不同。氧化鋯材料的氧空位缺陷會引起聲子散射，從而降低了聲子熱傳輸的過程，這是它低熱導機制的本質。而稀土鉭酸鹽的低熱導機制是鉭原子本身質量比較大引起的非諧效應。氧空位形成的低熱導材料是氧離子的導體，氧化鋯材料因此可以作為燃料電池的電極使用，它在高溫下是氧離子的良導體，氧離子可以自由出入氧化鋯材料，這樣就可以非常容易地氧化塗層下部的合金層，導致合金層表面快速生長一層氧化物。因為這層氧化物的熱膨脹係數和熱障塗層及合金層都不匹配，特別容易失效，所以發動機葉片塗層的失效不是熱障塗層本身被損壞，而是這層氧化物使塗層在熱循環過程中應力太大，造成脫落。稀土鉭酸鹽材料是氧離子的絕緣體，在合金層生長熱氧化物的速度比氧化鋯材料低1000 倍以上。
稀土原材料
另外，稀土鉭酸鹽材料比氧化鋯材料質地柔軟，可以承受更多的應力，所以高溫下的熱應力比氧化鋯低很多，這使它的壽命在熱循環中遠遠高於氧化鋯，同時，在工況容許的情況下，同等應力狀態稀土鉭酸鹽還可以製備更厚的熱障塗層，這樣就能達到更大的溫度梯度。
新型稀土鉭酸鹽陶瓷熱障塗層材料目前世界範圍內只有一個研究團隊，就是我的團隊。在我們之前，國內沒有任何一個團隊關注稀土鉭酸鹽，從材料發現到基本性質確定到最後應用，整個材料體系是由我的團隊建立的，我們在這個領域已經發了幾十篇研究論文，也申請了幾十個發明專利。在新型稀土鉭酸鹽陶瓷塗層領域，我們國家擁有自主知識產權，目前國際上沒有該材料應用的任何報道，國內也是剛剛開始應用，主要是在航天設備上的高溫隔熱及一些裝備上的試用，在航空領域，我們也在積極與北京航空航天大學、航空工業下屬的研究院所展開聯合攻關，如果把這種優秀的材料成功地應用到航空航天領域，我認為我們國家的熱障塗層技術在國際上會產生跨越式、領跑式的發展。
航空製造網：除了上面提到的陶瓷塗層材料，您的團隊在高溫材料領域還取得了哪些成果？
馮晶：高溫熱障塗層領域，之前全球範圍內都是做到2 層、3 層，通過我們的改良，可以做到8 層或是10 層，我們的多級梯度功能熱障塗層材料不僅具有高效隔熱的功能，同時還具有防腐蝕、抗磨損、長壽命的作用。其他研究還包括高溫陶瓷材料的焊接、高溫合金材料的開發等。
我們比較有特色的一項研究是稀貴金屬材料在高溫領域的應用，針對發動機部件上高溫陶瓷塗層與鎳基超高溫合金的粘結效果不好的問題，兩者之間會加一種粘結層合金，國際上常用的粘結層合金是NiCoCrAlY，但是它超過1100℃後氧化速度非常快，難以在更高的溫度下使用。我們在這種材料中增加了Pt，或者是單獨增加了一個貴金屬粘結層，這樣就創造了更高溫度下的粘結層使用環境，這種材料目前已經開始應用。這項研究在高溫材料領域是非常重要的，也是粘結層材料在世界範圍內的一個新突破。
熱障塗層材料與3D 列印技術的相互結合，比如在製作粘結層合金過程中，3D 列印技術就非常適用，在今年啟動了雲南省稀貴金屬材料基因工程，其中一項重要工作就是熱障塗層的粘結層部分由稀貴金屬材料來製作，主要的方式就是通過3D 列印/ 激光成形的方法在基體材料表面製備一層稀貴金屬材料，這樣就能實現耐高溫、抗氧化的性能。雲南稀貴金屬材料基因工程的一大功能就是服務於我國航空航天領域，研發新型合金材料。
現在的合金成分越來越複雜，甚至有了8 元、10 元系的合金，人已經無法完成工作量如此巨大的試驗工作，但是通過材料基因工程，我們就會很容易發現和研製出新的粘結層合金材料，可以整體實現熱障塗層對於航空發動機技術進步的推動作用。
航空製造網：雲南省稀貴金屬材料基因工程重大科技項目於2018 年3 月啟動，您擔任計算與資料庫首席科學家，工作的主要內容是什麼？請談一下這個項目對於材料研究的重要意義？
馮晶：我主要負責的是稀貴金屬材料的計算以及資料庫的建設，我們主要針對的是航空發動機超高溫合金的探索和開發。通過材料基因工程的方法，我們可以探尋之前人類根本無法解決的8 元系、10 元系合金。通過高通量計算和機器學習，以及利用資料庫的「元素」，我相信在未來，第一可以得到稀貴金屬材料高溫粘結層合金，第二我們有可能會在超高溫合金領域取得更大的突破，這樣超高溫合金就有望實現在1500 ～2000℃高溫環境下的直接應用。
稀貴金屬材料基因工程的重要性還體現在，一方面大大減輕我們材料科學家的工作量，藉助這個高性能計算工具能夠實現成百上千甚至上百萬的材料組分和合金材料的設計，以及性能預測；另一方面，通過這個項目不僅可以大大加快材料的研發速度，而且在這個過程中會大量節約研發成本，我們當前的目標是達到雙減一半，即研發時間縮短一半，研發成本降低一半，使人力物力都降一半。從項目實施的過程來看，我覺得未來減少的可能遠不止這個數，因為它不僅可以設計稀貴金屬材料，還可以設計其他高溫材料。
活動規則：
歡迎小夥伴們暢所欲言，跟小編分享您對本文的感想。
留言點贊數統計截止時間：2018年12月20日上午9點。點贊數前5的小夥伴將獲贈2019年《航空製造技術》雜誌社日曆一本。因後台留言展示上限是100條，所以部分留言無法放出，敬請諒解~獲獎名單將在本文下方置頂留言中公布（本活動在年底前會不定期開展，敬請關注）
作者簡介
馮 晶，入選國家「千人計劃」青年項目，昆明理工大學教授。2018 年獲中國優秀青年最高榮譽「中國青年五四獎章」。師從美國工程院院士哈佛大學David R Clarke 教授，共同研發新一代高溫鐵彈性低導熱材料，在高溫材料及各向異性力學領域獲得國際性地位。同時是國內較早進行材料基因工程研究的學者之一，目前已在國際知名雜誌發表156 篇研究論文，其中被SCI 檢索逾112 篇。申請國家發明專利65 項，其中12 項進入Derwent 世界專利資料庫。獨創研究成果「1600℃超高溫稀土鉭酸鹽熱障塗層材料及其製備技術」打破國際最高使用溫度，是世界上目前唯一能在1600℃及以上工作的超高溫熱障塗層，使我國掌握該重要技術的同時跨越式站在國際頂級水平，相關成果已應用於××× 探空火箭及××× 高超音速導彈外表面防護和發動機塗層，實現了××× 重要型號的大國重器研製加速開發。
來源：航空製造技術雜誌 記者：逸飛
TAG:航空製造網 |