二氧化鋯熱障涂層在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用

1、新工藝新技術(shù)新設(shè)備二氧化鋯熱障涂層在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用ApplicationofZirconiaThermalBarrierCoatinginAeroengine沈陽黎明發(fā)動機(jī)制造公司李保岐段緒海摘要航空發(fā)動機(jī)正在向高性能、長壽命、高可靠性、低成本的目標(biāo)發(fā)展,熱障涂層是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)較為理想的技術(shù)之一。文中介紹了氧化鋯基熱障涂層材料的性能及應(yīng)用。關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī)等離子熱障涂層ABSTRACTWithdevelopmentofformance,long-lifetime,aeroengine,theisofthemostidealmethodsforproblems.Thispa2perdiscus

2、sestheperformanceandtheapplicationofthezirconiathermalbarriercoating.Keywords:EnginePlasmaThermalbarrier近年來隨著航空發(fā)動機(jī)向高流量比、高推重比、高渦輪進(jìn)口溫度方向發(fā)展,發(fā)動機(jī)熱端部件,特別是燃燒室中的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?如燃?xì)鈮毫σ烟岣?倍,燃?xì)鉁囟纫殉^1650,預(yù)計(jì)將達(dá)到1930。這樣高的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有合金的熔點(diǎn)。因此,必須采用相應(yīng)措施,一方面改進(jìn)冷卻技術(shù),以降低燃燒室壁與燃?xì)饨佑|的溫度,例如采用壓層式結(jié)構(gòu)、氣膜冷卻技術(shù),或者采用新型高溫合金;另一方面是在現(xiàn)有耐熱合金材料表面

3、上噴涂熱障涂層(TBC)。噴涂熱障涂層在國外航空發(fā)動機(jī)熱端部件的制造方面應(yīng)用十分普遍。幾年來隨著我國航空發(fā)動機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展,特別是噴涂材料及噴涂工藝的研究和發(fā)展,使熱障涂層在新老發(fā)動機(jī)的延壽方面得到了一定的應(yīng)用。近年來,在發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵研制過程中,經(jīng)常出現(xiàn)高壓一級渦輪導(dǎo)向器葉片進(jìn)氣邊燒蝕、加力燃燒室隔熱屏燒蝕變形和出現(xiàn)裂紋的故障,直接影響發(fā)動機(jī)的可靠性和壽命,影響發(fā)動機(jī)的研制進(jìn)程。為解決這一關(guān)鍵,我們幾經(jīng)試驗(yàn),決定采用新型二氧化鋯熱障涂層噴涂技術(shù)。實(shí)踐證明,這種熱障涂層的涂層材料及噴涂工藝都是成功的,基本消除了導(dǎo)向器燒蝕、加力隔熱屏變形及出現(xiàn)裂紋的故障。航空工藝技術(shù)1涂層方案的選擇、熱裂紋故障

4、,我們選:(1)熱;(3)具有高溫穩(wěn);(4)具有高溫耐腐蝕性;(5)耐磨粒磨損。通過幾年來的試驗(yàn)研究,對二氧化鋯基隔熱涂層的具體結(jié)構(gòu)采取了如下實(shí)施方案:(1)采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2或CeO2-Y2O3-ZrO2三元TBC材料;(2)采用NiCrAlY合金為底層;(3)采用雙層涂層系統(tǒng)。圖1為雙層熱障涂層構(gòu)造。圖1雙層TBC示意圖Fig.1DoublelayerTBC111ZrO2材料特點(diǎn)純凈的ZrO2有3種晶型:單斜晶(M)、四方晶(T)和立方晶(C),轉(zhuǎn)化條件如下:單斜晶600950四方晶2370立方晶液相M型、T型轉(zhuǎn)變是可逆的,但從高溫型轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏匦陀忻黠@的滯后效應(yīng),轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)4%左右

5、的反常膨脹,使ZrO2制品炸裂。因此不能用純凈的ZrO2制造技術(shù)產(chǎn)品,必須ZrO2晶型穩(wěn)定化,轉(zhuǎn)變?yōu)镃-ZrO2,不3325002600新工藝新技術(shù)新設(shè)備再發(fā)生低溫型和高溫型轉(zhuǎn)化,一般需加入某些CaO,MgO,YO3作為穩(wěn)定劑。幾種晶型ZrO2的熱膨脹與溫度的關(guān)系如圖2所示。表2涂層性能試驗(yàn)結(jié)果涂層性能401402403404405406顯氣孔率/%11.307.838.8410.985.6910.82吸水率/%2.061.341.622.051.402.02沉積效率/%60.853.552.450.662.756.6熱膨脹系數(shù)12.2711.7810.9110.1911.2116.32/10

6、-6-1)(251000平均熱導(dǎo)率/m-1-1()圖2幾種晶型ZrO2的熱膨脹與溫度的關(guān)系Fig.2Therelationshipbetweenofsomecrystal2112ZrO2涂層的熱導(dǎo)率為0.51.4W/m,而NiCrAlY層熱導(dǎo)率為516W/m。作為燃燒室內(nèi)103(1050水中)抗彎曲試驗(yàn)33杯突試驗(yàn)33顯微硬度/kgmm-2裂紋裂紋裂紋裂紋613裂紋裂紋剝點(diǎn)裂紋裂紋細(xì)紋裂紋細(xì)紋733襯試驗(yàn)表明,涂層明顯降低金屬襯的溫度。從火焰輻射來看,由于陶瓷層比裸露的金屬壁具有更大的反射率,所以會產(chǎn)生很大的溫降。113涂層性能試驗(yàn)利用METCO7M型等離子噴涂設(shè)備對表1中幾種涂層粉末進(jìn)行了系

7、統(tǒng)的噴涂工藝試驗(yàn)及性能測試,各種涂層的性能列入表2。表1幾種涂層粉末的密度及流動性粉末編號3最早出現(xiàn)缺陷時熱震循環(huán)次數(shù);33允許有裂紋,但不許產(chǎn)生剝落。松裝密度/3密度/3流動性/-1(a)401粉末安息角/(°)323531343230(b)401涂層對涂層的X射線分析如圖3所示。從圖中可以看出,401粉末的主晶型為四方晶,沒有單斜晶。經(jīng)過等離子噴涂后,涂層的晶型結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化,這種涂層即使經(jīng)過高溫老化試驗(yàn)(1600下保溫10h)也不會發(fā)生相變,說明401涂層有良好的熱穩(wěn)定性。34圖3粉末與涂層的X-Ray衍射圖Fig.3X-Raydiffractionpatternofpowd

8、erandcoating(下轉(zhuǎn)第47頁)1999年第3期新工藝新技術(shù)新設(shè)備將抽象化的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成樣本,經(jīng)訓(xùn)練調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重,使網(wǎng)絡(luò)能存儲抽象的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。網(wǎng)絡(luò)具有的這種記憶功能,即使當(dāng)網(wǎng)絡(luò)輸入為非樣本時,其輸出與該輸入較近的樣本的輸出也非常相似。(上接第34頁)2應(yīng)用(1)在加力燃燒室加力錐段隔熱屏內(nèi)表面噴涂了3自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器前面闡述的兩種結(jié)構(gòu)形式的FNNC,雖然在不同的控制策略指導(dǎo)下形成的FNNC結(jié)構(gòu)有所差異,但FNNC的總體框架有許多相似的地方,主要區(qū)別在于用不同的手段來實(shí)現(xiàn)模糊推理。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)作為建模工具,對非線性系統(tǒng)靜態(tài)建模、動態(tài)辨識,并把ANN和FNN(模糊神經(jīng)

9、網(wǎng)絡(luò))相結(jié)合,形成了自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。-在自組織學(xué)習(xí)過程中,用不同的方法,、知受控對象,獲取FN2NC的自調(diào)整信息。這種FNNC一般由兩個以上的網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)成,一個用于控制器的設(shè)計(jì),另一個用于自調(diào)整信息的獲取。這種FNNC的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。三元熱障涂層。此段隔熱屏是工作條件最惡劣,溫度最高,故障最多的零件。在加力燃?xì)鉁囟燃s2000K時,隔熱屏工作溫度一般為10001100,個別點(diǎn)可能更高。5,共開車374112h,其,穩(wěn)狀,發(fā)動機(jī)的冷熱疲勞負(fù)荷大,。經(jīng)過以上試驗(yàn)后錐段隔熱屏,錐屏也無任何變形或裂紋。由此可以看出,該氧化鋯三元TBC涂層穩(wěn)定可靠,特別是對保證工作溫度高,振動應(yīng)力大,疲勞

10、強(qiáng)度高,燃?xì)鉀_刷嚴(yán)重的大型薄壁類零件的安全穩(wěn)定工作是非常適宜的。試驗(yàn)表明,該三無TBC涂層結(jié)合強(qiáng)度高,具有良好的抗熱沖擊性能,能滿足航空發(fā)動機(jī)加力燃燒室的使用要求。(2)采用等離子噴涂NiCrAlY底層(0.1mm)和Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(0.2mm)作為一級導(dǎo)向葉片面層的熱障涂層。一級導(dǎo)向葉片工作條件惡劣,溫度高,溫度場不均勻,燃?xì)鉀_刷十分嚴(yán)重,氣流速度高達(dá)300m/s以上。正常工作溫度12001250無涂層時,長期試車不到150h葉片進(jìn)氣邊產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g與變形。采用該TBC涂層經(jīng)150h,試車后葉片無燒蝕和變形,涂層表面完好,無脫落。圖3自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3Thecont

11、rolstructurediagramofadaptivefuzzyneuralnetwork隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,要求有更完善的控制系統(tǒng)出現(xiàn)。今后,控制理論面臨的突出問題是既要繼續(xù)發(fā)展自身理論,又要在應(yīng)用方面留下實(shí)實(shí)在在的成果;用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)模糊人工智能,以最大限度發(fā)揮人的智慧和能力;隨著對人的思維過程理論研究的逐步深入,FNNC的結(jié)構(gòu)與算法完美的結(jié)合,使FNNC實(shí)現(xiàn)具有直感、聯(lián)想、意識等各種功能,具有綜合處理問題和創(chuàng)造性工作的能力。要使FNNC具有創(chuàng)造性工作的能力,單一的一個網(wǎng)絡(luò)決不能勝任,它應(yīng)是具有不同結(jié)構(gòu)形式的FNNC的各種形式組合,形成一個FNNC群。目前,不論模糊控制理論還是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,都有待深入研究。模糊邏輯可以把人們的柔性思想模型化,通過嚴(yán)格處理,使FNNC實(shí)現(xiàn)人-機(jī)交流。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的發(fā)展,將使這一交流更加符合(責(zé)編人類的行為。根山)航空工藝技術(shù)3結(jié)論(1)采用熔化-粉碎法制備的401,403二氧化鋯三元熱障涂層材料具有較好的流動性能和沉積效率,材