航-空-發(fā)-動-機(jī)-葉-片-涂-層

1、PAGE PAGE 8航 空 發(fā) 動 機(jī) 葉 片 涂 層 技 術(shù)一渦輪葉片是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)核心關(guān)鍵之一航空發(fā)動機(jī)被稱為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”， 價值一般占到整架飛機(jī)的20%-25%。目前，能獨(dú)立研制、生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)的國家只有美、英、法、俄、中5個。但是，無論“昆侖”、“秦嶺”發(fā)動機(jī)、還是“太行”系列，我國航空發(fā)動機(jī)的水平距離這一領(lǐng)域的“珠穆朗瑪”依然存在不小的差距。美、俄、英、法四個頂級“玩家”能夠自主研發(fā)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)。西方四國由于對未來戰(zhàn)場與市場的擔(dān)憂，在航空發(fā)動機(jī)核心技術(shù)上一直對中國實(shí)施禁運(yùn)和封鎖。技術(shù)難關(guān)有很多。本人認(rèn)為渦輪葉片是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的核心技術(shù)之

2、一。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，對發(fā)動機(jī)的性能要求越來越高，要使發(fā)動機(jī)具有高的推重比和大的推動力，所采用的主要措施是提高渦輪進(jìn)口溫度。國外在20世紀(jì)90年代，要求渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度達(dá)1850-1950K。美國在IHPTET計(jì)劃中要求：在海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，航空燃?xì)鉁u輪機(jī)的的渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)2366K。渦輪進(jìn)口溫度的提高要求發(fā)動機(jī)零件必須具有更高的抗熱沖擊、耐高溫腐蝕、抗熱交變和復(fù)雜應(yīng)力的能力。對于艦載機(jī)，由于在海洋高鹽霧環(huán)境下長期服役，要求發(fā)動機(jī)的葉片的耐腐蝕性更高；常在沙漠上飛行的飛機(jī)，發(fā)動機(jī)的葉片要具有更好的耐磨蝕。眾所周知：鎳基和鈷基高溫合金具有優(yōu)異的高溫力學(xué)和腐蝕性能，廣泛用于制造航空發(fā)

3、動機(jī)和各類燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片（blade and vane）。就材質(zhì)來看：各國的高溫合金型號雖各不相同，但就相近成分的高溫合金來說，其性能相近（生產(chǎn)工藝方法不同有也造成性能有大的差異）。好的高溫合金的使用溫度也只有1073K左右，為達(dá)到前面所說的要求溫度，采用的方法有二：一是制成空心的葉片。空心葉片自20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)以來，經(jīng)歷了對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻以及綜合冷卻的發(fā)展歷程，使進(jìn)氣口溫度高出葉片材料約300500，內(nèi)腔的走向復(fù)雜化和細(xì)致化。這一步的改進(jìn)仍難滿足需要，且英國發(fā)展計(jì)劃將取消冷卻。二是涂層，常進(jìn)行多材質(zhì)多層次涂層。PVT公司研究表明：軍用直升機(jī)上的發(fā)動機(jī)葉片采用涂層，在沙

4、漠上飛行，壽命可提高3倍左右，不僅大大降低了制造發(fā)動機(jī)葉片的成本，同時也使飛機(jī)的維護(hù)時間延長了兩倍。二渦輪葉片的涂層高溫合金的生產(chǎn)方法或晶形結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品的性能是有很大影響的，如圖1所示， GE公司20年前開始采用單晶高溫合金制作戰(zhàn)機(jī)用發(fā)Fig.1 Comparative preperties of polycrystal,columnar and single-crystal superallys動機(jī)葉片。從圖1看出：使用單晶后，蠕變和熱疲勞提高9倍，但抗腐蝕性只提高4倍，增加涂層仍十分必要。渦輪葉片的涂層的方法很多，常用的有熱滲、磁控濺射、熱噴涂三種，熱滲法方法簡單方便，成本低，也是最適合葉片

5、內(nèi)腔涂層的方法。熱滲法屬于化學(xué)熱處理，利用高溫的方法將化學(xué)原子擴(kuò)散注入到基體金屬中，并在其表面沉積均勻的保護(hù)膜。根據(jù)使用原料的狀態(tài)的不同，又可分為固體粉末包埋法、氣相法、液相法和漿料法，其中固體粉末包埋法、氣相法用得最廣。熱滲涂層原理簡單，但工藝控制方法是關(guān)鍵，我國已有相關(guān)部門在進(jìn)行這方面的研究，但從公布的圖片看，仍有差距；國外對軍工涂層技術(shù)也是封鎖的。下面談GE和Siemens兩家世界最大的燃?xì)廨啓C(jī)生廠家的有關(guān)情況。GE的燃?xì)廨啓C(jī)不僅用于民用發(fā)電，也應(yīng)用于美國軍事飛機(jī)、和海軍艦艇。 圖2 為GE不同涂層的性能對比圖。1968年GE研發(fā)了TF39渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī),并應(yīng)用于C-5“銀河”遠(yuǎn)程重型運(yùn)

6、輸機(jī)上。 Fig.2 Comparative resistance in types of coatings1969年GE以TF39渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)的核心機(jī)為基礎(chǔ)，研制新型LM25OO燃?xì)廨啓C(jī)樣機(jī)，LM2500的輸出功率達(dá)到了25500馬力（18755千瓦），效率達(dá)到了35.5%，首次裝于31艘8040噸的“斯普魯恩斯”級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦，最大航速達(dá)到33節(jié)M25OO燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器渦輪轉(zhuǎn)子由一個錐形前軸、兩個帶葉片和護(hù)圈的渦輪盤、一個圓錐形轉(zhuǎn)子隔板、一個熱屏蔽和一個后軸組成，兩級渦輪葉片均為長葉柄、內(nèi)冷卻式結(jié)構(gòu)，葉根為機(jī)樹形。長葉柄葉片不但為冷卻空氣提供了通路，而且因?yàn)檩^高的阻尼作用減小了振動，

7、輪盤外緣的溫度也降低了。葉片成對地釬焊在一起，材料為Rene80鈷基合金，表面滲有抗腐蝕、抗氧化的鈷鉻鋁釔保護(hù)層。動力渦輪的6級工作葉片全部為帶冠結(jié)構(gòu)，抗振性能好，效率高，用耐腐蝕材料Rene77合金制造，前3級工作葉片表面還涂有防腐蝕涂層。導(dǎo)向器葉片的前3級也是用Rene77合金制造，后3級則改為用Rene41合金制造。新的LM2500型燃?xì)廨啓C(jī)在1998年進(jìn)行試車，功率達(dá)到了40500馬力（29788千瓦），效率達(dá)到39.1%。美國海軍的LHD1“黃蜂”級大型兩棲攻擊艦的動力裝置本來采用兩臺共7萬馬力（51485千瓦）的蒸汽輪機(jī)，從第8艘“馬金島”號（LHDS）起，已經(jīng)改為使用兩臺LM25

8、OO燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)。在2005年開始對新一代LM2500+G4進(jìn)行試驗(yàn)，最大功率達(dá)到了47370馬力（34841千瓦），效率進(jìn)一步提高到39.3。Seimens已成立了160多年，服務(wù)于中國已近140年，在中國有90多家營運(yùn)企業(yè)。Seimens生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)主要用于能源發(fā)電領(lǐng)域（本人暫末查在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用）。華能上海燃機(jī)電廠配備了三臺先進(jìn)的Siemens燃?xì)廨啓C(jī)，總裝機(jī)容量達(dá)1200 MW，發(fā)電效率達(dá)到58%，是我國目前最大的聯(lián)合循環(huán)電廠之一，2007年度亞洲最佳燃?xì)怆姀S。采用Seimens燃?xì)廨啓C(jī)及技術(shù)的華能玉環(huán)電廠（4x1000MW）是我國高效清潔燃煤電廠建設(shè)史上的新里程碑，在機(jī)組容量、環(huán)

9、保、高效率及節(jié)能方面居世界領(lǐng)先水平，整體效率高達(dá)45%。渦輪機(jī)入口溫度（TIT）從1060C 提高到1075C或者使用 41MAC 需要特殊的保護(hù)的熱屏蔽涂料來適當(dāng)?shù)臏p少溫度梯度(熱氣面/冷卻空氣面)，以此充分減少葉片上的靜態(tài)和動態(tài)負(fù)荷以獲得相對長的使用年限。防護(hù)涂層系統(tǒng)也必須保證在不那么可延展的熱屏蔽薄層(TBC)和基礎(chǔ)材料之間的最佳壓焊。 為此需要特別發(fā)展的粘合層將TBC 粘合在基礎(chǔ)材料上 (基于鎳的鑄件)，因?yàn)檫@些材料的物理性質(zhì)存在著極端的差別。這些防護(hù)涂層(粘合層)也必須提供保護(hù)以防高溫氧化和腐蝕。葉片主要采用Rene合金+涂層。三上海晶淳新材料有限公司介紹上海晶淳新材料有限公司是落戶

10、于上海市松江區(qū)城區(qū)，是一家專業(yè)從事金屬、非金屬（陶瓷）粉體材料及制品的民營高科技企業(yè)。以“節(jié)能 環(huán)保 安全”為設(shè)計(jì)理念，開發(fā)生產(chǎn)低碳綠色環(huán)保型產(chǎn)品。公司開發(fā)的粉體涂層材料主要用于燃?xì)廨啓C(jī)葉片、模具和機(jī)械零部件的表面處理；公司開發(fā)的陶瓷低溫?zé)Y(jié)劑廣泛應(yīng)用于特種陶瓷行業(yè)；公司開發(fā)的金屬粉末、粉末冶金和特種陶瓷制品廣泛用于機(jī)械、冶金、化工、汽車電子等行業(yè)。公司通過了Siemens公司的全面質(zhì)量認(rèn)證，是Siemens公司的燃?xì)廨啓C(jī)葉片涂層材料定點(diǎn)生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到并超過了原進(jìn)口材料的質(zhì)量水平，性能穩(wěn)定可靠。2011年已為Siemens公司生產(chǎn)近60噸涂層材料。產(chǎn)品主要用于SGT5-4000F型燃?xì)?/p>

11、輪機(jī)葉片的涂層生產(chǎn)。 SGT5-4000F型燃?xì)廨啓C(jī),功率340MW（相當(dāng)GE十臺LM2500+G4型燃?xì)廨啓C(jī)）。重440t,燃?xì)鉁u輪機(jī)長13m、高5m。與火力發(fā)電和核發(fā)電相比較，燃?xì)鉁u輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是效率高，有著很好的調(diào)節(jié)控制可能性。只需15min的時間，啟動后的渦輪機(jī)即可滿負(fù)荷工作。啟動時，首先把發(fā)電機(jī)當(dāng)作電動機(jī)使用、驅(qū)動著渦輪機(jī)的主軸旋轉(zhuǎn),多級壓縮機(jī)的精密葉輪產(chǎn)生一定的壓縮空氣,點(diǎn)燃燃?xì)庵螅瑴u輪機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到穩(wěn)定在其最高轉(zhuǎn)速并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。溫度高達(dá)600的廢氣將被回收利用：由熱交換器生產(chǎn)出蒸汽，并將這些蒸汽輸送到燃?xì)鉁u輪機(jī)后端的蒸汽渦輪機(jī)中進(jìn)行發(fā)電。已經(jīng)很高的、幾乎達(dá)到40的燃?xì)鉁u輪機(jī)效率也因此進(jìn)一步得到了提高，整套發(fā)電機(jī)組的總效率高達(dá)60。公司粉體涂層材料現(xiàn)有滲鉻粉和滲鋁粉二種，滲鉻粉型號為JC-SCR-55，主要用于葉片的外表面涂層，為粉體包埋法滲鉻涂層。圖3為滲鉻