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热障涂层技术
详细内容:

热障涂层介绍:

热障涂层是一层陶瓷涂层,它沉积在耐高温金属或超合金的表面,热障涂层对于基底材料起到隔热作用,降低基底温度,使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片) 能在高温下运行,并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。

热障涂层应用:

随着航空、航天及民用技术的发展,热端部件的使用温度要求越来越高,已达到高温合金和单晶材料的极限状况。以燃料轮机的受热部件如喷嘴、叶片、燃烧室为例,它们处于高温氧化和高温气流冲蚀等恶劣环境中,承受温度高达1100℃,已超过了高温镍合金使用的极限温度(1075℃)。将金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐高温的优点结合起来所制备出的热障涂层能解决上述问题,它能起到隔热、抗氧化、防腐蚀的作用,已在汽轮机、柴油发电机、喷气式发动机等热端材料上取得一定应用,并延长了热端部件的使用寿命。

热障涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好,具有防止高温腐蚀、延长热端部件使用寿命、提高发动机功率和减少燃油消耗等优点,TBCs的出现为大幅度改进航空发动机的性能开辟了新途径。自20世纪70年代以来,美国、英国、法国、日本等发达工业化国家都竞相发展TBCs涂层,并大量应用在叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒、尾喷管等航空发动机热端部件上。

热障涂层在我国航空发动机涡轮叶片上的应用研究已经开始并得到重视,已在某些涡轮叶片上喷涂出热障涂层,取得了阶段性成果。热障涂层技术的应用可以大幅提升发动机和地面燃气轮机的综合性能,延长其使用寿命,是高性能发动机和燃气轮机研制的关键技术之一,随着我国大飞机、地面燃气轮机、固体燃料发动机技术的不断进步,对热障涂层的需求将会越来越巨大,热障涂层将在航天、舰船、核工业、汽车等领域的热端部件上拥有广泛的应用前景。与此同时,热障涂层制造工艺及设备将得到不断改进,设计人员对带热障涂层的认识将更加全面,热障涂层工艺人员技术也将更加娴熟。

热障涂层分类:

1,等离子喷涂法

2,电子束物理气相沉积法

3,超音速火焰喷涂

4,静电喷涂辅助气相沉积

5,激光熔覆法

热障涂层的主要制备技术包括:如磁控溅射、离子镀、电弧蒸镀、等离子喷涂技术(大气等离子、低压等离子喷涂技术)、电子束物理气相沉积(EB-PVD ) 。其中,应用最为广泛的当属等离子喷涂技术以及电子束物理气相沉积。

(1)大气等离子喷涂

大气等离子喷涂技术是最早应用于热障涂层制备的技术。它是以氢气、氮气、氢气等作为工作气体,经过电离产生等离子高温射流,随后粉末由送粉气体经过送粉管送入射流之中,进入射流中的粒子迅速被加热到熔化或熔融状态,最后以单个粒子为单位沉积到基体的表面形成层状堆积涂层的方法。

大气等离子喷涂技术制备的涂层比较疏松,有很多空穴和微裂纹,其孔隙率也较高。研究表明,疏松结构的热障涂层比致密结构的热障涂层在抗热冲击性能和隔热性能方面表现更好。从实际生产应用来看,大气等离子喷涂技术由于成本低、涂层制备方便、工艺成熟且沉积效率高等特点,在热障涂层的制备技术中一直有着明显的优势和良好的效果。

(2)低压等离子喷涂

低压等离子喷涂技术是上个七十世纪年代左右发展起来的一种新型的涂层制备技术。这种喷涂技术能够降低涂层中氧化物含量,同时获得的涂层组织形态也发生了新突破,即形成不同于传统层片状涂层结构的等轴晶涂层。由于低压等离子喷涂技术成本高,操作复杂,在实际的生产应用中占比较少。

(3)电子束物理气相沉积

电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术主要是电子束技术和物理气相技术相互结合的产物。EB-PVD涂层制备的主要原理是:真空状态下,从电子枪发射高能量密度电子束,当电子束轰击在YSZ原料上时,YSZ原料会瞬间气化蒸发,随后原料蒸气在偏转磁场的作用下以原子或者分子的形式沉积到基体上,最终形成柱状组织结构的YSZ涂层。


热障涂层特点:

热障涂层系统要求涂层既有良好的隔热效果,又有抗高温氧化及热冲击性能。针对在腐蚀介质中的特殊要求,还要具有高温耐蚀性能。热障涂层的基本设计思想就是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性,实现对基体合金材料的保护。热障涂层主要由陶瓷表层和结合底层所组成。

热障涂层不仅可以达到提高抗腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度,而且可以减少燃油消耗(据估计近20%)、延长热端部件的使用寿命;与开发新的高温合金材料比较,热障涂层技术的研究发展成本要低得多,工艺也现实可行。因此,热障涂层技术成为未来发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向。另外,热障涂层在轮船、汽车、能源等领域的热端部件上也有着广泛的应用与研究。


发布时间:2022-05-23  【打印此页】  阅读:772次
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