航空发动机高温防护涂层技术发展现状与标准需求

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高温防护涂层的研究距今已有数十年的历史，目前国内外几乎所有现有型号和预研型号的航空发动机都涂覆有某些种类的高温防护涂层，且对涂层的性能提出了越来越高的要求，使得高温防护涂层事实上成为航空发动机不可或缺的组成部分。虽然国内外航空发动机高温防护涂层的发展极其迅速，很多企业在选材和结构设计、制备技术、性能检测和评价方面制定了内部标准或规范，但是相关的行业标准和国家标准却极其缺乏，已经不能满足高温防护涂层蓬勃发展的需求。目前国内多家科研单位各自为战，缺乏统一的标准对研制和生产加以指导和规范，不利于航空发动机高温防护涂层相关技术的快速发展。

为了更好地满足航空发动机高温防护涂层的发展需求，制备出性能稳定的涂层，本文拟对其现状和发展趋势进行分析，并着重分析该领域内现有标准的情况，进而提出今后航空发动机高温防护涂层标准的制修订建议。

1航空发动机高温防护涂层技术发展现状

目前，航空发动机高温防护涂层主要应用于涡轮工作叶片、涡轮导向叶片和燃烧室内衬等部位的高温合金或其他高温结构材料的表面，常见的涂层种类有金属抗氧化涂层、热障涂层、内腔涂层、环境障涂层等。高温防护涂层可以分为扩散型涂层、包覆型涂层、热障涂层和环境障涂层4大类，常见的涂层成分和制备方法见表1。

表1所列的常见涂层反映了航空发动机高温防护涂层的发展历程：铝化物涂层，改性铝化物涂层、MCrAlY系列涂层（M为Co、Ni或者Co+Ni）和热障涂层，还有后来出现的环境障涂层。其中扩散型涂层和包覆型涂层主要起抗高温氧化的作用，目前欧洲多采用改性铝化物涂层，美国则以MCrAlY为主；热障涂层的粘结层则常采用改性铝化物涂层或者MCrAlY系列涂层，起到抗氧化和提高陶瓷面层与基体材料界面结合性能的作用，面层主要是ZrO2基陶瓷涂层，起到隔热和抗冲蚀、耐腐蚀的作用。

环境障涂层的出现主要是为了满足硅基非氧化物陶瓷材料在航空发动机服役条件下的防护需求。硅基非氧化物陶瓷材料在干燥气氛中，具有高达1500℃以上的长期服役温度上限，被认为是极具发展潜力的航空发动机用结构材料。在国外某些新型航空发动机中，硅基非氧化物陶瓷材料已经开始被用作燃烧室内衬等部位的结构材料，预计未来更高推重比的航空发动机导向叶片上也将有较好的应用前景。但是NASA等的研究表明，硅基非氧化物陶瓷材料在高温水蒸汽环境下，会和水蒸汽发生反应，导致表面化学稳定性急剧下降。环境障涂层则可以在发动机服役条件下，将发动机内的高温水蒸汽与硅基非氧化物陶瓷材料隔离开来，进而避免硅基非氧化物陶瓷材料的快速失效。

目前，抗氧化涂层的研制已经相对较为深入，一些单位小批量生产的质量稳定性得到了大幅提高。伴随着涡轮机服役温度的快速提升，热障涂层已经在目前普遍使用的粘结层/氧化锆部分稳定的氧化钇涂层体系，向着长寿命、低热导率、热辐射屏蔽等方向发展；由于具有更高极限温度的单晶高温合金的广泛使用，在定向高温合金用热障涂层的基础上，对热障涂层体系进行改进，以提高热障涂层对单晶高温合金基体的适用性也成为研究的重要方向之一。为了更好地满足硅基非氧化物陶瓷的防护需求，环境障涂层逐渐向着增强涂层高温相稳定性、改善水蒸汽防护性能和延长涂层高温氧化寿命的方向发展。

2航空发动机高温防护涂层标准现状

高温防护涂层技术包含3个主要方向：涂层材料及涂层结构设计、涂层制备技术、涂层性能测试和评价。由于航空发动机高温防护涂层的重要性和技术保密需求，目前相应的行业标准和国家标准主要集中于涂层的性能测试方面，且未能完全涵盖高温防护涂层常规性能测试项目；涂层规范和涂层制备工艺相关规范主要为企业内部标准，仅有为数不多的相关行业标准和国家标准。在调研过程中，国外标准主要参考了ISO标准和ASTM和AMS标准，国内标准主要包括GB、GJB、HB和QJ标准。

2.1涂层规范和制备工艺标准

涂层规范指涂层的成分和结构设计、涂层性能要求方面的规范，主要包括：抗氧化金属合金涂层的成分；热障涂层整体结构设计、各层结构设计和底涂层成分设计；EBC涂层各层成分和结构设计；涂层的各项性能指标。

总的来说，为了满足更加苛刻的服役条件下的高温防护需求，高温防护涂层逐渐向着多元化、多层化的方向发展，出现了多种新型改性涂层材料，热障涂层更是出现了微叠层、双陶瓷层、双粘结层结构等设计复杂、结构巧妙的涂层结构，而EBC涂层也已经发展至第三代。

制备工艺规范指涂层的制备技术规范。由于涂层体系的复杂性和涂层性能要求的多样性，涂层制备工艺多种多样（见表1），而热障涂层和EBC涂层更是需要综合应用不同的制备技术。

2.1.1国内外现有行业（或协会）

以上标准国内外航空发动机高温防护涂层材料和制备工艺的行业及以上标准见表2。表2表明4大类高温防护涂层材料和制备工艺缺乏系统的规范，基本没有热障涂层和环境障涂层的涂层规范，制备技术的标准也仅仅涵盖了个别常见的高温防护涂层。

2.1.2国内现有企业标准

国内北京航空材料研究院、北京航空航天大学、北京理工大学、西安航空发动机集团有限责任公司等多家单位也编写了一定量内部企业标准，以满足各自的实际需求，在一定程度上弥补了行业及其以上级别标准的缺乏。其中，北京航空材料研究院自20世纪80年代起，就结合自身科研需求，编写相应的高温防护涂层材料规范和工艺规范，至今为止，已有50余项相关内部企业标准，涵盖了部分铝化物涂层、MCrAlY涂层和热障涂层的材料和制备工艺，以及高温防护涂层的部分性能测试方法。

2.2涂层性能测试和评价标准

航空发动机高温防护涂层的性能测试主要分力学性能、热学性能、界面结合性能等几个方面，目前国内测试分析主要采用的国家标准和行业标准见表3。此外，一些从事航空发动机高温防护涂层研制工作的单位也编制了一定量的企业标准，弥补了诸如热导率测试等测试标准的空白，并且针对带高温防护涂层试样，对一些国家标准和行业标准进行了针对性的修订。

3航空发动机高温防护涂层标准需求与制修订建议

3.1涂层规范和制备工艺标准需求

航空发动机高温防护涂层的涂层规范和制备工艺规范严重缺乏，主要体现在下列方面。目前仅有部分铝化物涂层的制备工艺规范，缺乏其它常用制备工艺规范，例如电子束物理气相沉积技术制备热障涂层面层、等离子喷涂技术制备环境障涂层的BSAS层；缺乏涂层材料的行业和国家级规范，对热障涂层和环境障涂层基本没有涉及，标准的制定工作严重滞后于科研生产的发展情况；鉴于实际需求，目前的标准制修订工作主要是在企业层面开展，而未能改变多家单位各自为战的现状。

3.2涂层性能测试和评价标准需求

航空发动机高温防护涂层的性能检测标准相对较为完善，但是仍然存在以下问题：

一是缺乏热导率、热扩散系数等隔热性能测试、室温弯曲和涂层外观测试的行业级及以上规范；

二是环境障涂层是新发展起来的涂层，没有全面性能要求和抗水蒸汽性能测试的规范；

三是力学性能测试方面，大量借鉴了拉伸、蠕变等无涂层试样的标准，未针对高温防护涂层试样的国家标准和行业标准进行相应的修订。

3.3高温防护涂层标准制修订建议

鉴于航空发动机高温防护涂层标准制修订现状，应该结合航空发动机的实际需求和发展趋势，在建立和完善相关单位企业标准的同时，充分认识到标准制修订工作的重要性，加快行业标准和国家标准制修定的步伐，逐步改变目前以性能测试标准为主、其它标准严重缺乏的现状。在标准制定过程中，要充分考虑单晶高温合金等新基体材料的应用对高温防护涂层及其制备工艺，甚至是涂层性能要求的影响，尽量增强标准的适用性。

涂层规范方面：结合航空发动机高温防护涂层的现状和发展趋势，对正在发展成熟且具有重要地位的涂层，例如环境障涂层和新型热障涂层，加快涂层规范的制修订工作进度，实现抢先占位。涂层制备工艺方面：结合高温防护涂层制备工艺的多元化趋势，针对主要制备工艺进行标准的制修定工作，尤其是要填补电子束物理气相沉积热障涂层、化学气相沉积内外腔涂层方面的空白。

涂层性能测试和评价方面：进一步完善涂层性能测试和评价标准，加紧标准制定工作，填补仍然存在的空白领域，例如室温弯曲和热导率；同时逐步改变带涂层试样部分常规性能测试（例如一些力学性能测试）依赖无涂层金属试样标准的现状，针对涂层测试的实际需求，对对应的性能测试标准做出修订或补充制定。

（转载自材料十）注：本文由激光加工编辑部编辑整理，如有异议请联系我们！