徐惠彬 

北京航空航天大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)工程院院士

中國(guó)為什么要做自己的大飛機(jī)？

能夠制造完整航空發(fā)動(dòng)機(jī)的有幾個(gè)國(guó)家？

做航空發(fā)動(dòng)機(jī)為什么這么難？

從過(guò)去的“赤膊上陣”到今日的“金鐘罩”

讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片穿上中國(guó)人自己做的“衣服”

其中又有怎樣耐人尋味的艱辛故事

所有問(wèn)題的答案

皆在徐校長(zhǎng)的講述中

                                                                                                                     讓中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片穿上國(guó)產(chǎn)“衣服”

                                                                                       
中國(guó)為什么要做大飛機(jī)？

中國(guó)的老百姓對(duì)于大飛機(jī)有一個(gè)非常重的情結(jié)，有一個(gè)大飛機(jī)夢(mèng)。

2017年5月5日，C919在上海的浦東機(jī)場(chǎng)刺破蒼穹、翱翔藍(lán)天。

中國(guó)制造的商用大飛機(jī)首次飛翔在藍(lán)天

大飛機(jī)的兩次論證都依托北航。2006年第二次論證，我在中間也做了一些貢獻(xiàn)。當(dāng)時(shí)非常榮幸，是大飛機(jī)論證專(zhuān)家委員會(huì)的辦公室主任。這次論證我覺(jué)得是歷史性的。第一，大飛機(jī)項(xiàng)目要不要上，中國(guó)要不要做民用的、商用的大飛機(jī)？專(zhuān)家論證完之后，要做。從2006年論證到2017年，經(jīng)過(guò)了差不多十年多的時(shí)間，飛機(jī)飛起來(lái)了，還是很厲害的。

國(guó)民焦點(diǎn)：中國(guó)大飛機(jī)

中國(guó)為什么要做大飛機(jī)

不妨一起來(lái)做個(gè)數(shù)學(xué)題

有統(tǒng)計(jì)說(shuō)，從今天來(lái)看，未來(lái)的20年，中國(guó)至少需要5000到6000架大飛機(jī)。花多少錢(qián)來(lái)買(mǎi)？大概需要一萬(wàn)億美元。這是什么概念呢？可以把空客和波音兩個(gè)公司按照現(xiàn)在股票市場(chǎng)的市值買(mǎi)四次。

我們20年就要花一萬(wàn)億美元買(mǎi)這些飛機(jī)，中國(guó)這么一個(gè)大國(guó)要靠買(mǎi)別人的飛機(jī)來(lái)過(guò)日子嗎？
       答案當(dāng)然是：

“不可能！中國(guó)要造自己的大飛機(jī)。” 

做航空發(fā)動(dòng)機(jī)為什么難？

給發(fā)動(dòng)機(jī)葉片穿上國(guó)產(chǎn)“衣服”！

有人說(shuō)飛機(jī)是工業(yè)上的皇冠，發(fā)動(dòng)機(jī)就是皇冠上的明珠。

我們講發(fā)動(dòng)機(jī)最核心的核心就是“一盤(pán)兩片”（渦輪盤(pán)、導(dǎo)向葉片及工作葉片），而難就難在怎么把這“兩片”給做出來(lái)。

要想提高推力，最好的選擇自然是升溫，那就對(duì)材料提出了更高的要求。這就要說(shuō)到給飛機(jī)穿“衣服”了——熱障涂層Thermal Barrier Coating（TBC），能防止發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片在高于工作溫度的環(huán)境下熔化。

做出來(lái)熱障涂層非常不容易。

一年多，不休息，爐子不能休息，人得看著三班倒。一天24小時(shí)乘以365，是8000多小時(shí)。所以我們做一次實(shí)驗(yàn)要做一萬(wàn)小時(shí)，一年多的時(shí)間。

但付出是有回報(bào)的。

我們解決了什么？最重要的是解決了我們中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片穿“衣服”的問(wèn)題。

過(guò)去葉片上飛機(jī)的時(shí)候，我們簡(jiǎn)稱(chēng)叫“赤膊上陣”，因?yàn)橹荒芸亢辖鸨旧淼哪蜏啬芰屠鋮s來(lái)降溫，沒(méi)有衣服穿，只能“赤膊上陣”。國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)都是穿著衣服的，我們團(tuán)隊(duì)為中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)解決了第一代熱障涂層問(wèn)題，使得我們的發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片穿上了中國(guó)人自己做的衣服。

                                                                                                                                                                                      現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)

                                                                                                                                                            節(jié)目錄制現(xiàn)場(chǎng)：北航晨興音樂(lè)廳

航空發(fā)動(dòng)機(jī)還有哪些難點(diǎn)需要攻克？

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700元置裝費(fèi)背后的故事與情結(jié)？

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視頻地址：

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                                                                             航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫葉片的涂層技術(shù)

摘要：

    本文簡(jiǎn)要介紹現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片涂層的功用及其類(lèi)型，并對(duì)相關(guān)的工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)單的了解。重點(diǎn)對(duì)熱障涂層技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行學(xué)習(xí)，以幫助飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用維護(hù)人員更好理解發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的工作機(jī)理和影響因素。

關(guān)鍵詞：渦輪葉片、保護(hù)涂層、熱障涂層TBC

一、概述

    現(xiàn)在的航空發(fā)動(dòng)機(jī)越造越先進(jìn)、效率越來(lái)越高、推重比也有的到了20左右。發(fā)動(dòng)機(jī)工作起來(lái)要產(chǎn)生足夠大的推力，就需要燃燒室中的油氣高效燃燒，產(chǎn)生高溫高壓膨脹氣體再驅(qū)動(dòng)渦輪高效做功。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)渦輪進(jìn)口溫度相應(yīng)不斷提高，高達(dá)1500-2000℃以上。高溫燃?xì)鈴娜紵疫M(jìn)入渦輪部分，雖然溫度稍有下降，卻也能使渦輪部分的轉(zhuǎn)/靜子葉片等熱端零部件表面溫度達(dá)到1200℃以上。

    為增加發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，節(jié)約維修成本，試想什么樣的渦輪葉片材料能在1200℃以上的高溫下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作后（約20000小時(shí)），才需拆卸修理或更換呢？就目前的材料技術(shù)來(lái)說(shuō)，還沒(méi)有什么材料能在這樣的高溫下滿足渦輪葉片復(fù)雜的工況需求。因?yàn)闇u輪葉片載荷不是耐燒就夠了，它還要承受巨大的離心力、氣動(dòng)力、腐蝕、疲勞應(yīng)力等等我們常人想不到的那些載荷。最先進(jìn)的鎳基高溫合金單晶體材料（nickel based single crystal materials）也只能承受1150℃的使用溫度，而且差不多是其使用溫度的極限值啦。

     你可能要問(wèn)了，不是有先進(jìn)的氣膜冷卻技術(shù)嗎？可你要知道，采用氣膜冷卻技術(shù)最大可使工件表面溫度降低僅300℃左右而已。對(duì)大多數(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，就算使用氣膜冷卻技術(shù)，鎳基高溫合金單晶體材料的渦輪葉片還是不能較長(zhǎng)時(shí)間承受如此高的工作溫度。

     單獨(dú)使用高溫結(jié)構(gòu)材料技術(shù)已不能滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展的迫切要求，那怎么辦呢？聰明的大師們想到了一個(gè)好辦法，給渦輪葉片穿件耐燒的外衣。那就是在葉片的表層施加涂層來(lái)單獨(dú)分擔(dān)葉片的高溫載荷。而采用熱障涂層技術(shù)（TBC-Thermal Barrier Coatings）是目前大幅度提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的唯一切實(shí)可行的方法。在美國(guó)、歐洲以及我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)計(jì)劃中均把熱障涂層技術(shù)( TBC)列為與高溫結(jié)構(gòu)材料、高效葉片冷卻技術(shù)并重的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片技術(shù)的三大關(guān)鍵技術(shù)。

二、渦輪葉片的涂層技術(shù)

     為了滿足渦輪前溫度不斷提高的需求，發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的基體材料也一直在不斷地改變，從多晶材料到定向凝固鑄件，再到單晶材料。可只有渦輪葉片涂層技術(shù)對(duì)解決耐高溫的問(wèn)題具有明顯的貢獻(xiàn)。

    TBC熱障涂層是將耐高溫、抗腐蝕、高隔熱的陶瓷材料涂覆在基體合金表面，以提高基體合金抗高溫氧化腐蝕能力、降低合金表面工作溫度的一種熱防護(hù)技術(shù)。大多數(shù)的TBC熱障涂層是雙層結(jié)構(gòu)形式的。表層為陶瓷隔熱層，主要作用是隔熱、抗腐蝕、沖刷和侵蝕。底層為金屬粘結(jié)層，起著改善基體與陶瓷涂層物理相容性和抗高溫氧化腐蝕的作用。

1、涂層材料

    TBC熱障涂層主要是由一種叫氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯（YSZ-Yttria Stabilized Zirconia）物質(zhì)組成。 這種YSZ物質(zhì)具有很高的熔點(diǎn)( 2700 ℃)和很低的熱傳導(dǎo)系數(shù)(根據(jù)生產(chǎn)工藝不同，塊體材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)略有差異，一般約為2～3W·mK )，其熱膨脹系數(shù)(9～11)×10- 6 K與高溫合金匹配。YSZ還具有高的斷裂韌性(6～9 MPa·m )和其它優(yōu)良的機(jī)械性能。由于其優(yōu)異的綜合性能，YSZ是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片TBC熱障涂層普遍采用的陶瓷層材料。

    YSZ在工作溫度低于1200 ℃的情況下性質(zhì)很穩(wěn)，可以使渦輪葉片使用時(shí)間大大延長(zhǎng)。可當(dāng)YSZ的工作溫度高于1200 ℃時(shí)，由于相變將導(dǎo)致YSZ體積膨脹，同時(shí)由于燒結(jié)，引起涂層致密化，將導(dǎo)致涂層的容應(yīng)變能力下降而熱應(yīng)力增大，加速涂層剝落失效。由于致密化和孔隙率降低,涂層的隔熱能力也顯著下降。因此，在日常的維護(hù)孔探檢查中，如果發(fā)現(xiàn)有涂層剝落失效情況，就要加強(qiáng)跟蹤重復(fù)檢查，防止涂層短期內(nèi)快速脫落失效導(dǎo)致渦輪葉片基體材料的燒毀。

    前面說(shuō)了，在YSZ陶瓷層和葉片基體材料之間還有一層金屬粘結(jié)層。該粘結(jié)層提高了基體的抗高溫氧化腐蝕性能，緩解了YSZ陶瓷層與合金基體間的熱不匹配。鎳鈷鉻鋁釔合金NiCoCrAlY是目前熱障涂層普遍采用的一種粘結(jié)層材料。合金組元中的Ni和Co是粘結(jié)層的基體元素，Ni基合金具有優(yōu)良的緩和熱應(yīng)力的能力，而Co基具有優(yōu)良的抗氧化和腐蝕性能，Ni+ Co的組合則使涂層兼具這些特性；組元中Cr用于保證涂層的抗熱腐蝕性，還可以促進(jìn)氧化鋁AlO的生成；Al用來(lái)保證涂層的抗氧化性，高Al含量可以提高涂層的抗氧化性能，然而Al的存在卻同時(shí)使涂層的韌性降低；Y加入( 約1% )起到了氧化物釘扎和細(xì)化晶粒的作用，從而提高氧化膜的粘附力，改善涂層的抗熱震性能。其合金組元可以根據(jù)使用情況的不同進(jìn)行調(diào)整。在高溫下，粘結(jié)層中的Al向外擴(kuò)散，并發(fā)生選擇性氧化，形成致密的氧化鋁AlO保護(hù)膜，阻止底層的進(jìn)一步氧化，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)基體的目的。

    由于粘結(jié)層成分對(duì)氧化層的生長(zhǎng)速度、成分、完整性以及與基體的結(jié)合力等因素有決定作用，而這些因素直接影響著熱障涂層的壽命， 因此，粘結(jié)層成分的優(yōu)化和選擇對(duì)于提高熱障涂層的壽命非常關(guān)鍵。由于粘結(jié)層的抗氧化和熱腐蝕的綜合性能較好, 因此, 目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層大多采用這種合金體系。

    除了鎳鈷鉻鋁釔合金NiCoCrAlY外，擴(kuò)散鋁（Aluminide diffusion coatings）和白金鋁化物（PtAl- Platinum Aluminides )也是很好的抗氧化、抗腐蝕涂層材料，常見(jiàn)于部分型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上。擴(kuò)散鋁涂層（Aluminide）是介于鋁和葉片基體材料間的金屬化合物。通過(guò)在容器中加熱葉片和鋁材到760℃-1100℃，使鋁擴(kuò)散滲透到葉片的表面，形成擴(kuò)散鋁涂層。白金鋁化涂層（PtAl )是先把白金電鍍上零件表面，然后加熱使其擴(kuò)散到基體表面，最后在進(jìn)行滲鋁處理后形成。因?yàn)榧尤肓税捉鸪煞郑阅芤葦U(kuò)散鋁涂層好得多。

2、工藝類(lèi)型

    通常TBC陶瓷涂層YSZ和NiCoCrAlY金屬粘接層都可以通過(guò)大氣等離子噴涂Atmospheric Plasma Spray(APS)和電子束物理氣相沉積Electron Beam Physical Vapour Deposition (EB PVD)的方法實(shí)現(xiàn)。NiCoCrAlY金屬粘接層也可以通過(guò)真空等離子噴涂Vacuum Plasma Spray (VPS)來(lái)完成。

    大氣等離子噴涂APS在噴涂過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生部分氧化物，使得涂層質(zhì)地不夠緊密。一般還需要進(jìn)行滲鋁處理，以增強(qiáng)其抗腐蝕、抗氧化的能力。而真空等離子噴涂VPS就恰好彌補(bǔ)了APS的缺點(diǎn)，噴涂過(guò)程中極少產(chǎn)生氧化物，獲得質(zhì)地緊密的涂層。當(dāng)然，VPS的成本肯定就要比APS高一些。成本最高的是電子束物理氣相沉積EB PVD方法，因?yàn)橹辽偈褂玫脑O(shè)備就很貴。EB PVD獲得的涂層是最干凈、最質(zhì)密，具有特別好的綜合特性。

    因此，根據(jù)零部件不同工況環(huán)境的要求，以及對(duì)成本的考慮，可以采用不同的工藝過(guò)程進(jìn)行組合，合理獲得表面涂層和底層涂層。如下表所示：

三、維修過(guò)程中對(duì)涂層的考慮

    在發(fā)動(dòng)機(jī)的日常使用和維修工作中，需要根據(jù)既定的維修方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部分葉片進(jìn)行航線孔探檢查或車(chē)間分解檢查，根據(jù)檢查結(jié)果視情修理。

    一般航線孔探檢查都是按照飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)的相關(guān)檢查標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。總體上來(lái)說(shuō)對(duì)葉片涂層的檢查要求都差不多，具體的缺陷標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)略有差異。對(duì)涂層缺陷的檢查需要一定的經(jīng)驗(yàn)判斷，孔探經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員對(duì)葉片涂層燒蝕、剝落現(xiàn)象的判斷相對(duì)容易些。通常TBC涂層部分剝落或丟失是可接受的，不需要立即采取修復(fù)措施。有剝落區(qū)域的涂層有可能加速燒蝕并進(jìn)一步剝落，因此要加強(qiáng)后續(xù)檢查。如果TBC涂層剝落可見(jiàn)葉片的基體材料，則應(yīng)盡快拆下葉片修理，否則葉片的基體材料很快就會(huì)被快速氧化、燒裂等燒蝕失效，影響發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本和使用安全。僅僅TBC涂層的剝落，顏色差異不會(huì)特別明顯，略帶灰色，能明顯辨別涂層脫落的層斷面。如果涂層完全脫落，可見(jiàn)葉片黑色的基體材料，顏色差異較大，有時(shí)還伴有基體金屬燒蝕狀、裂紋等現(xiàn)象。在發(fā)動(dòng)機(jī)大修車(chē)間分解后，葉片涂層缺陷的檢查就相對(duì)容易多了，可以直接觀察到具體的剝落、燒蝕表象。

    葉片在修理過(guò)程中首先需要去除TBC涂層和粘結(jié)層，經(jīng)過(guò)一系列修理工藝，缺陷修復(fù)后再重新噴涂TBC涂層。譬如葉片基體金屬產(chǎn)生了裂紋、磨損，則要進(jìn)行

- 清洗

- 檢查

- 吹砂或高壓水注去除TBC涂層

- 化學(xué)去除粘結(jié)層

- 清潔裂紋或缺陷的氧化物

- 釬焊裂紋、堆焊葉尖磨損

- 型面恢復(fù)

- 重新打穿受影響的冷卻孔

- 施加粘結(jié)層并進(jìn)行滲鋁處理

- 施加TBC涂層

- 熱處理

- 表面處理

- 修理后檢查。

    需要注意的是，在去除涂層時(shí)，與粘接層相接的基體金屬材料也被一同去除，減少了葉片基體材料的厚度，因此，葉片的修理次數(shù)或涂層的去除次數(shù)就受到限制。有的生產(chǎn)廠家會(huì)在相應(yīng)的維修手冊(cè)中明確限制葉片相關(guān)修理的次數(shù)。如果生產(chǎn)廠家手冊(cè)沒(méi)有給出修理次數(shù)限制的，發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)人可自行考慮對(duì)葉片相關(guān)修理次數(shù)進(jìn)行控制，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)修理后的可靠性。

     作為部分發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型的OEM主要參與者，德國(guó)MTU發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司也具有施加擴(kuò)散鋁/滲鋁涂層、鉑金鋁PtAl涂層及所有等離子噴涂的能力。從2001年開(kāi)始MTU與法國(guó)斯奈克瑪Snecma在夏岱勒羅Chatellerault的50/50合資公司就已經(jīng)完全能夠進(jìn)行EBPVD的TBC熱障涂層生產(chǎn)能力了。

   TBC涂層是航空發(fā)動(dòng)機(jī)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)對(duì)在研、在役的軍機(jī)、民機(jī)具有同樣重要的意義。有資料表明，一級(jí)渦輪葉片表面涂覆TBC涂層后，可使冷卻空氣流量減少50%，油耗減少1% ～2%， 葉片壽命提高數(shù)倍。開(kāi)展新型耐高溫、高隔熱和長(zhǎng)壽命的熱障涂層的研究是航空發(fā)動(dòng)機(jī)迅速發(fā)展提出的持續(xù)性要求。另外，TBC涂層在艦船、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域的熱端部件上也有廣泛的應(yīng)用前景。近數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家針對(duì)TBC涂層材料、涂層制備、性能表征及壽命預(yù)測(cè)等方面展開(kāi)了廣泛而深入的研究，研究領(lǐng)域涉及材料、物理、化學(xué)、力學(xué)、計(jì)算學(xué)、熱學(xué)等多門(mén)學(xué)科的交叉，取得了驕人的成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

1、Conventional and advanced coatings for turbine airfoils，R. Stolle，MTU Aero Engines

2、先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層技術(shù)研究進(jìn)展，郭洪波，宮聲凱，徐惠彬，2009年10月