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1、航-空-发-动-机-叶-片-涂-层 作者： 日期：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
2、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
3、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300500，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
4、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
5、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
6、用于C-5“银河”远程重型运输机上。 Fig.2 Comparative resistance in types of coatings1969年GE以TF39涡轮风扇发动机的核心机为基础，研制新型LM25OO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
7、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Rene41合金制造。新的LM2500型燃气轮机在1998年进行试车，功率达到了40500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）
8、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39.3。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58%，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
9、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1060C 提高到1075C或者使用 41MAC 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TBC 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
10、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
11、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60。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60100um。镍基高温合金涂铝厚度为40100um。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）
