航空航天领域如何使用热障涂层

热障涂层(TBCs)为航空发动机寿命和效率的显著提高提供了潜力。

tbc通常通过多种不同的方法沉积，但是电子束物理气相沉积(EB-PVD)是高性能应用的首选。本文概述了在航空航天应用中利用EB-PVD技术的好处。

航空航天部件用热障涂层

高压燃气涡轮中使用的静叶和动叶代表了世界上负载最高的工程部件^1.燃气轮机在正常运行条件下可达到每分钟几万转。

每个叶片都承受着巨大的力量，从增压气流中提取出大量的能量。对这些部件的极高的机械要求意味着只有高温的镍基“高温合金”通常被考虑用于金属部件。

根据定义，镍高温合金可以在较高的熔化温度下工作。²从结构上讲，用于航空航天的镍基高温合金是目前最坚固的材料之一，能够抵抗腐蚀，并在高温下承受极高的负载。欧洲杯足球竞彩

在现代燃气轮机中发现的高温气体温度可能接近镍基合金的熔点，然而，在显著增加热疲劳和氧化的同时，使部件处于长时间蠕变的风险。

热障涂层(TBCs)仍然是降低镍基高温合金燃气轮机部件热致失效风险的最常见方法。热障涂层是一种高度专业化的涂层，能够防止组件达到极高的温度。

用于航空航天的tcs通常由氧化钇稳定氧化锆陶瓷层组成，厚度从100 μm到2 mm不等。在陶瓷和底层合金之间沉积一层金属结合涂层(通常是mcraly型合金)，以帮助保护基体免受腐蚀和氧化，同时将陶瓷与组件结合。

氧化钇/氧化锆陶瓷提供极低的导热系数，允许它们保持相当大的温度梯度;例如，在燃气轮机的镍基高温合金机翼表面和周围的加热气体之间。

tbc有助于延长燃气轮机部件的寿命，因为它们可以保护底层的镍基高温合金免受高温和氧化的影响。

对越来越高的推重比的需求使开发具有更高工作流体温度的涡轮机成为必要。因此，在一些现代发动机中，气体温度可能会超过镍基高温合金的熔点数百摄氏度。

根据热力学定律，最终，每个部件都会与周围环境达到热平衡，即使它被涂上了一层高性能的绝缘体。当涡轮叶片被超过其熔点的气体包围时，这是一个主要问题。

tbc的使用可以由部件内部的冷却风道补充，以防止这些风道在连续运行期间与涡轮机内的加热气体达到热平衡。这种冷却将增加热梯度和热冲击，然而，增加应变的tbc。

高性能的tbc是唯一的解决方案，以满足不断增长的需求，更强大，高效的发动机，适合运行在更高的温度。这些TBCs确保了转子部件的耐久性，延长寿命和降低质量。

电子束物理气相沉积

有几种方法可以用来生产热障涂层；例如，高速氧燃料(HVOF)、等离子喷涂、激光化学气相沉积和电子束物理气相沉积(EB-PVD)。

EB-PVD尤其为tbc提供了许多优势。这种方法确保了更长的生命周期，使其成为高性能应用程序的首选选项。

EB-PVD是一种物理气相沉积过程，用电子束从涂层材料锭中升华或汽化原子。^3.激光束的能量将喷射出的原子转换成气态，在视线范围内的任何材料上形成一层涂层，并沉积成一层薄薄的固体层。

EB-PVD用于TBCs生产的关键优势与生成的涂层的性能有关，这与其他方法生产的涂层不同。EB-PVD法制备的TBCs呈柱状晶体结构，具有一定的假塑性。^1，4

这种伪塑性转化为对剥落、应变和热冲击的耐受性的提高，最终确保寿命的显著提高。^5，6

减少EB-PVD热障涂层的缺陷

通过EB-PVD将会受到所用铸锭质量的显著影响。^7，8钢锭的变化或不一致可能导致有问题的涂层厚度偏差，即所谓的“口和坑”。

当小液滴的液体物质从熔池中喷射出来，最终留在铸锭上时，就会出现喷沫。凹坑是由这些液滴形成的空隙。这些缺陷导致涂层不一致，经常导致大量的维修费用。

圣戈班在广泛咨询客户的挑战后开发了Magma铸锭。这些高性能的铸锭非常适合EB-PVD工艺。它们可以通过稳定的汽化使喷发最小化，从而减少30-50%的凹坑和唾液。

岩浆锭表现出极其均匀的形态和化学性质，确保涂层结构和厚度一致。

来自圣戈班的岩浆锭可提供各种配方和尺寸，以适应任何应用需求。

参考文献

1. Peters, M.， leens, C.， Schulz, U. & Kaysser, W. A.航空发动机和燃气涡轮用EB-PVD热障涂层。高级工程材料3,193-204(2001)欧洲杯足球竞彩。
2. 高温合金冶金史。在Superalloys 1984 (Fifth International Symposium) 399-419 (TMS, 1984)。doi: 10.7449 / 1984 / Superalloys_1984_399_419。
3. 薄膜的气相沉积原理。(爱思唯尔,2006)。doi: 10.1016 / b978 - 0 - 08 - 044699 - 8. - x5000 - 1。
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7. 王志刚，等。目前燃气轮机热障涂层系统的技术和经济综述。热喷涂技术17,199-213(2008)。
8. 潘扬，P.， Drnovšek, A.， P.， Čekada, M. & P. M.综述PVD法制备薄膜的生长缺陷。涂料10,447(2020)。

这些信息来自圣戈班特种谷物和粉末提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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