航 空 发 动 机 叶 片 涂 层

航空发动机叶片涂层技术

一．涡轮叶片是先进航空发动机核心关键之一

航空发动机被称为现代工业“皇冠上的明珠”，航空发动机是飞机的“心脏”，价值一般占到整架飞机的20%-25%。目前，能独立研制、生产航空发动机的国家只有美、英、法、俄、中5个。但是，无论“昆仑”、“秦岭”发动机、还是“太行”系列，我国航空发动机的水平距离这一领域的“珠穆朗玛”依然存在不小的差距。美、俄、英、法四个顶级“玩家”能够自主研发先进航空发动机。西方四国由于对未来战场与市场的担忧，在航空发动机核心技术上一直对中国实施禁运和封锁。技术难关有很多。本人认为涡轮叶片是先进航空发动机的核心技术之一。

随着航空航天工业的发展，对发动机的性能要求越来越高，要使发动机具有高的推重比和大的推动力，所采用的主要措施是提高涡轮进口温度。国外在20世纪90年代，要求涡轮前燃气进口温度达1850-1950K。美国在IHPTET计划中要求：在海平面标准大气条件下，航空燃气涡轮机的的涡轮进口温度高达2366K。涡轮进口温度的提高要求发动机零件必须具有更高的抗热冲击、耐高温腐蚀、抗热交变和复杂应力的能力。对于舰载机，由于在海洋高盐雾环境下长期服役，要求发动机的叶片的耐腐蚀性更高；常在沙漠上飞行的飞机，发动机的叶片要具有更好的耐磨蚀。

众所周知：镍基和钴基高温合金具有优异的高温力学和腐蚀性

能，广泛用于制造航空发动机和各类燃气轮机的涡轮叶片（blade and vane）。就材质来看：各国的高温合金型号虽各不相同，但就相近成分的高温合金来说，其性能相近（生产工艺方法不同有也造成性能有大的差异）。好的高温合金的使用温度也只有1073K左右，为达到前面所说的要求温度，采用的方法有二：一是制成空心的叶片。空心叶片自20世纪60年代中期出现以来，经历了对流冷却、冲击冷却、气膜冷却以及综合冷却的发展历程，使进气口温度高出叶片材料约300—500℃，内腔的走向复杂化和细致化。这一步的改进仍难满足需要，且英国发展计划将取消冷却。二是涂层，常进行多材质多层次涂层。

PVT公司研究表明：军用直升机上的发动机叶片采用涂层，在沙漠上飞行，寿命可提高3倍左右，不仅大大降低了制造发动机叶片的成本，同时也使飞机的维护时间延长了两倍。

二．涡轮叶片的涂层

高温合金的生产方法或晶形结构对产品的性能是有很大影响的，如图1所示，GE公司20年前开始采用单晶高温合金制作战机用发

Fig.1 Comparative preperties of polycrystal,columnar and single-crystal superallys

动机叶片。从图1看出：使用单晶后，蠕变和热疲劳提高9倍，但抗腐蚀性只提高4倍，增加涂层仍十分必要。

涡轮叶片的涂层的方法很多，常用的有热渗、磁控溅射、热喷涂三种，热渗法方法简单方便，成本低，也是最适合叶片内腔涂层的方法。

热渗法属于化学热处理，利用高温的方法将化学原子扩散注入到基体金属中，并在其表面沉积均匀的保护膜。根据使用原料的状态的不同，又可分为固体粉末包埋法、气相法、液相法和浆料法，其中固体粉末包埋法、气相法用得最广。热渗涂层原理简单，但工艺控制方法是关键，我国已有相关部门在进行这方面的研究，但从公布的图片看，仍有差距；国外对军工涂层技术也是封锁的。下面谈GE和Siemens 两家世界最大的燃气轮机生厂家的有关情况。

GE的燃气轮机不仅用于民用发电，也应用于美国军事飞机、和海军舰艇。图2 为GE不同涂层的性能对比图。1968年GE研发了TF39涡轮风扇发动机,并应用于C-5“银河”远程重型运输机上。

Fig.2 Comparative resistance in types of coatings

1969年GE以TF39涡轮风扇发动机的核心机为基础，研制新型L M25OO燃气轮机样机，LM2500的输出功率达到了25500马力（18755千瓦），效率达到了35.5%，首次装于31艘8040吨的“斯普鲁恩斯”级导弹驱逐舰，最大航速达到33节

M25OO燃气轮机的燃气发生器涡轮转子由一个锥形前轴、两个带叶片和护圈的涡轮盘、一个圆锥形转子隔板、一个热屏蔽和一个后轴组成，两级涡轮叶片均为长叶柄、内冷却式结构，叶根为机树形。长叶柄叶片不但为冷却空气提供了通路，而且因为较高的阻尼作用减小了振动，轮盘外缘的温度也降低了。叶片成对地钎焊在一起，材料为Rene80钴基合金，表面渗有抗腐蚀、抗氧化的钴铬铝钇保护层。动力涡轮的6级工作叶片全部为带冠结构，抗振性能好，效率高，用耐腐蚀材料Rene77合金制造，前3级工作叶片表面还涂有防腐蚀涂层。导向器叶片的前3级也是用Rene77合金制造，后3级则改为用Rene 41合金制造。

新的LM2500＋型燃气轮机在1998年进行试车，功率达到了4050 0马力（29788千瓦），效率达到39.1%。美国海军的LHD1“黄蜂”级大型两栖攻击舰的动力装置本来采用两台共7万马力（51485千瓦）的蒸汽轮机，从第8艘“马金岛”号（LHDS）起，已经改为使用两台LM25OO＋燃气轮机推进。在2005年开始对新一代LM2500+G4进行试验，最大功率达到了47370马力（34841千瓦），效率进一步提高到3 9.3％。

Seimens已成立了160多年，服务于中国已近140年，在中国有90多家营运企业。Seimens生产的燃气轮机主要用于能源发电领域（本人暂末查在军事领域中的应用）。华能上海燃机电厂配备了三台先进的Siemens燃气轮机，总装机容量达1200 MW，发电效率达到5 8%，是我国目前最大的联合循环电厂之一，2007年度亚洲最佳燃气电厂。采用Seimens燃气轮机及技术的华能玉环电厂（4x1000MW）是我国高效清洁燃煤电厂建设史上的新里程碑，在机组容量、环保、高效率及节能方面居世界领先水平，整体效率高达45%。

涡轮机入口温度（TIT）从1060°C 提高到1075°C或者使用 4 1MAC 需要特殊的保护的热屏蔽涂料来适当的减少温度梯度(热气面/冷却空气面)，以此充分减少叶片上的静态和动态负荷以获得相对长的使用年限。防护涂层系统也必须保证在不那么可延展的热屏蔽薄层(TBC)和基础材料之间的最佳压焊。为此需要特别发展的粘合层将T BC 粘合在基础材料上 (基于镍的铸件)，因为这些材料的物理性质存在着极端的差别。这些防护涂层(粘合层)也必须提供保护以防高温氧化和腐蚀。叶片主要采用Rene合金+涂层。

三．上海晶淳新材料有限公司介绍

上海晶淳新材料有限公司是落户于上海市松江区城区，是一家专业从事金属、非金属（陶瓷）粉体材料及制品的民营高科技企业。以“节能环保安全”为设计理念，开发生产低碳绿色环保型产品。

公司开发的粉体涂层材料主要用于燃气轮机叶片、模具和机械零部件的表面处理；公司开发的陶瓷低温烧结剂广泛应用于特种陶瓷行业；公司开发的金属粉末、粉末冶金和特种陶瓷制品广泛用于机械、冶金、化工、汽车电子等行业。

公司通过了Siemens公司的全面质量认证，是Siemens公司的燃气轮机叶片涂层材料定点生产厂家，产品质量达到并超过了原进口材料的质量水平，性能稳定可靠。2011年已为Siemens公司生产近60吨涂层材料。产品主要用于SGT5-4000F型燃气轮机叶片的涂层生产。 SGT5-4000F型燃气轮机,功率340MW（相当GE十台LM2500+G4型燃气轮机）。重440t,燃气涡轮机长13m、高5m。与火力发电和核发电相比较，燃气涡轮机的优点是效率高，有着很好的调节控制可能性。只需15min的时间，启动后的涡轮机即可满负荷工作。启动时，首先把发电机当作电动机使用、驱动着涡轮机的主轴旋转,多级压缩机的精密叶轮产生一定的压缩空气,点燃燃气之后，涡轮机继续旋转，直到稳定在其最高转速并带动发电机发电。温度高达600℃的废气将被回收利用：由热交换器生产出蒸汽，并将这些蒸汽输送到燃气涡轮机后端的蒸汽涡轮机中进行发电。已经很高的、几乎达到40％的燃气涡轮机效率也因此进一步得到了提高，整套发电机组的总效率高达6 0％。

公司粉体涂层材料现有渗铬粉和渗铝粉二种，渗铬粉型号为JC-SCR-55，主要用于叶片的外表面涂层，为粉体包埋法渗铬涂层。图3

为渗铬涂层叶片。

Fig.3 渗铬涂层叶片

渗铝粉有JC-SA-5和JC-SA-20二个型号，主要用于叶片内腔的涂层； JC-SA-5为气态渗铝涂层，JC-SA-20为粉体包埋法渗铝涂层。镍基高温合金涂铬厚度为60—100um。镍基高温合金涂铝厚度为40—100um。产品结构致密，防腐蚀性能优越。

Fig.4 涂层后金相(左为渗铬涂层,右为渗铝涂层)

四．参考文献（略）