金属基陶瓷涂层在航空发动机涡轮叶片表面的应用
摘要
金属基陶瓷涂层是一种涂在金属表面，能够起到改变金属底材料外表面结构、化学组成的耐热无机保护层或保护膜的总称。它能赋予金属新的性能，起到了大量贵金属也不一定能起到的作用。既节省了资源和资金又便利了加工处理。本文主要从材料，制备方法，涂层特点以及前景几个方面来介绍金属基陶瓷涂层在航空发动机涡轮叶片表面的应用。
引言
陶瓷涂层是以碳化物、氮化物、氧化物、硅化物、硼化物、金属陶瓷和其他无机物为原料，通过各种不同的方法将涂层涂覆在金属等基材表面而赋予基材以耐热、耐蚀、耐磨以及某些光电特性的一种涂层，它主要起到高温防护作用。随着航空航天、电子等技术等行业的迅猛发展，近半个世纪以来，陶瓷涂层正得到迅猛的发展。美国在20世纪90年代的陶瓷涂层应用的年增长率连续保持在12%以上，有的领域，诸如航空发动机，它的应用年增长率甚至可以高达25%。这表明，陶瓷涂层作为一种新技术，在先进国家，正成为一种新兴产业。通过更多的研究发展，陶瓷涂层一定会得到更加广泛的应用。
航空技术的快速发展也对发动机涡轮的性能提高了要求，更加需要提高涡轮零部件的使用温度极限性以及可靠性。目前已从材料、结构、冷却、制造几个方面着手展开研究。经过各种权衡，目前最为可行的就是在涡轮叶片表面加上陶瓷涂层。 使之既有金属的强度和韧性，又有陶瓷耐高温、耐腐蚀、耐磨损等长处。然而陶瓷对应力集中和裂纹比较敏感，抗疲劳性和抗热震性能也不佳，与金属基热导率和膨胀系数等的物理性能存在较大的差别，会导致裂纹出现和涂层剥落现象。
正文
1.金属基陶瓷涂层的发展现状
金属基陶瓷涂层的研究和生产，北美（尤其是美国）起步早，发展速度也快，其次是日本和欧洲。我国在这方面研究起步较晚。目前，金属基陶瓷已经成功的广泛应用于航天航空、国防、化工、机械、电力电子等工业，并且由于其既有金属的强度和韧性，又有陶瓷耐高温、耐腐蚀等优点，金属基陶瓷涂层受到越来越多的人的重视，它的应用范围越来越广泛，发展前景很广阔。 2.金属基陶瓷涂层的制备技术
金属基陶瓷涂层的制备方法比较多，这里只讲几种常见的主要方法。 第一种：物理气相沉积法（PVD法）
PVD法有离子镀法，溅射法，蒸镀法三种。离子镀法是用电子束使蒸发源 的陶瓷材料蒸发成原子，并被基体包围的等离子体离子化后，在电场作用下飞向基体形成涂层的一种方法。这种涂层均匀致密，且与基体良好的结合。溅射法是以动量为传递方式，讲陶瓷材料激发为气体原子，并溅射到对面金属基上沉积而成的的一种方法。蒸镀法，是用电子束使蒸发源的材料蒸发成粒子乘积到基体上的一种方法。 第二种：复合镀层法
复合镀层法是在一定浓度镀液里均匀混入不溶的陶瓷微粒，通过电镀或化学镀，使陶瓷微粒被共析，成为金属陶瓷复合镀层的一种工艺。它是一种增强材料，可以作为在常温或高温下的耐磨抗蚀材料，也在航天，切削刀具等领域中有广泛应用。 第三种：高温熔烧法
高温熔烧法是在常温下把涂料制成料浆，在均匀地涂覆在金属表面，最后经高温熔烧来获得陶瓷涂层的一种方法。这种方法的优点很多：设备简单，容易操作，涂层成分可调范围大，适应性强，修补方便。 第四种：喷涂法
喷涂法最早由瑞士的M.U.Sehoop在1910年发明 ，在高温下将涂层材料融化及雾化，形成熔融或半熔融状态的粒子流，以极高的速度喷涂到金属表面的涂覆方法。喷涂法的优点是： 1）可喷涂的材料广泛，金属，陶瓷等以及其各种混合物都可以，还可以重叠的喷涂不同材料组成的涂层。 2）被喷涂的构件尺寸不受限制，涂层厚度也可以自由选择。 3）对被喷涂构件的热影响小，热变形小
4）喷涂设备简单，操作工序少，效率高，涂层形成速度快。其缺点是：利用率低，操作环境差，形成粉尘污染等。 3.涡轮叶片的现状分析
3.1 叶片的热障涂层（TBC）
某些发达国家已经将对航空发动机涡轮叶片上涂覆高熔点陶瓷材料热障 涂层技术的研究成果应用在现实中。热障陶瓷涂层很好的利用了陶瓷材料的高绝缘和高绝热性，对涡轮热端部件起到很好的绝热屏蔽作用。根据实验测定：已经研究和应用的TBC，具有降低60—200℃温度的能力，大约相当于过去25年时间里研究的耐热合金所提高的温度总和。
制备TBC的主要材料是ZrO2,（由Y2O2，MgO，CeO，CaO和一些稀土金属稳定的ZrO2）具有高热膨胀系数，低热导率，优异的化学稳定性、抗高温氧化性和抗热震性。然而早期试验表明，若在基体表面直接涂覆ZrO2，在剧烈的热冲击影响下，由于涂层材料和基体材料热物理性能的不一致，将导致严重的裂纹，甚至使涂层过早的剥离。因此，需在涂层与基体之间加上一层粘结底层，使之良好的粘合在一起，在提高结合力的同时，还提高了抗磨损、防氧化性。粘结的底材料用的比较多的是MCrAIY合金（M为Ni或者NiCo）。
陶瓷涂层的制备一般采用等离子喷涂或者EB-PVD。等离子法喷涂的TBC涂层寿命不长，早期主要用于导向器的叶片上。而采用EB-PVD法制备的TBC陶瓷涂层结构为柱状晶，且柱状晶紧紧粘结在底层上，使用寿命更长。涂层光洁度高，抗高温燃气冲热和抗热震性能优异，即使在1650℃的高温下也能长期的使用。
粘结底层加陶瓷涂层的二元涂层结构在西方国家应用普遍，我国也采用了类似的方法。然而我国对TBC技术的研究才刚刚起步，还远远落后于部分西方国家，还有许多的问题需要研究和解决。 3.2 涡轮叶片的修理
涡轮叶片的工作环境十分恶劣，因此，航空发动机涡轮叶片需采用十分昂贵，例如镍基和钴基高温合金材料并以十分复杂的工艺来制造，从而获得优异的性能。无故障性是衡量可靠性的参照，故障率与故障流参数是无故障性的重要指标。涡轮叶片修理前的处理与检测包括：1.清洗 2.无损检测 3.叶型的精确检测 涡轮叶片的修理技术有：1.表面损伤的修理 2.页顶的修复 3.热静压 4.喷丸强化 5.涂层修复
叶片应用涂层技术来提高其抗氧化，抗腐蚀，耐磨，耐高温和涡轮的启动效率，但使用过程中，叶片会出现不同程度的缺损。因此，对叶片的防护层修复非常之重要。一般要将原涂层剥离。重新涂覆新的涂层，以提高叶片工作的可靠性和安全性。
目前，在我国，航空发动机涡轮叶片的机上孔探检查已广泛使用，但叶片的先进修理技术应用不多，这与我国自己制造的发动机叶片材料并不十分昂贵有关。但也随着新型高性能发动机的研制生产，涡轮叶片的造价会大幅上升，因此，涡轮叶片检测和修理技术也有广阔的前景。 4.涡轮叶片的发展前景
陶瓷比较脆，容易产生裂纹，抗疲劳性和抗热震性能也不佳，与金属基热导率和膨胀系数等的物理性能存在较大的差别，会导致裂纹的出现和涂层剥落的现象。 为了解决这些问题，（1）可以研究一些多种陶瓷材料混合的复合涂层，例如通过加入某些稀土元素，稀土元素具有独特的物理、化学特性，只要加入微量，就可以获得非常显著的效果。（2）可以发展多层结构与连续梯度结构涂层。多层结构中的扩散阻碍层可以防止陶瓷层与粘结层之间的元素互相扩散，避免了涂层性能水平的下降。连续梯度结构的特点是金属粘结层和陶瓷层之间的化学成分或结构呈连续性过渡，金属基与陶瓷间的界面因此消失，各部分的热膨胀系数也连续变化，由此避免基体和陶瓷层的热膨胀系数不相符进而导致的热应力，可以彻底的解决陶瓷涂层提早剥离的现象。
结束语
在涡轮叶片表面涂覆金属及陶瓷材料，提高了叶片的耐热温度，可以提高发动机的性能，并且大大提高了安全性，然而这种技术还处于发展阶段，但就目前的发展情况来看，这种方法是可靠的。金属基陶瓷涂层不但同时具有金属和陶瓷的双重优点，并且大大节省了资金。但是也存在着涂层与基体粘结强度不够，以及涂层和基体的热物理性不相匹配的问题也还没有得到完全的解决，故而，这项技术要更好的应用于航空涡轮叶片中，还需要更多的探索与发展。相信在不久的将来，我国会在这个方向取得更大的发展，届时，金属基陶瓷涂层还将给我们带来更多的福音。
参考文献
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