3】航空發動機高溫防護塗層技術發展現狀與標準需求

航空發動機是飛機的關鍵部件，是衡量飛機發展水平的重要標誌之一。隨著航空發動機推重比的增加，航空發動機燃燒室、渦輪機和壓氣機等的溫度大幅提升，尤其是渦輪進口溫度幾乎以每年15℃的速度增加，即使採用先進的定向凝固高溫合金和單晶高溫合金作為渦輪葉片，並輔助以先進的冷卻技術，也難以滿足抗氧化、隔熱、耐腐蝕等的實際要求。因此，高溫防護塗層的研製就成為不容忽視的關鍵技術之一，可以為航空發動機熱端 部件提供必要的防護作用。

高溫防護塗層的研究距今已有數十年的歷史，目前國內外幾乎所有現有型號和預研型號的航空發動機都塗覆有某些種類的高溫防護塗層，且對塗層的性能提出了越來越高的要求，使得高溫防護塗層事實上成為航空發動機不可或缺的組成部分。雖然國內外航空發動機高溫防護塗層的發展極其迅速，很多企業在選材和結構設計、製備技術、性能檢測和評價方面制定了內部標準或規範，但是相關的行業標準和國家標準卻極其缺乏，已經不能滿足高溫防護塗層蓬勃發展的需求。目前國內多家科研單位各自為戰，缺乏統一的標準對研製和生產加以指導和規範，不利於航空發動機高溫防護塗層相關技術的快速發展。

為了更好地滿足航空發動機高溫防護塗層的發展需求，製備出性能穩定的塗層，本文擬對其現狀和發展趨勢進行分析，並著重分析該領域內現有標準的情況，進而提出今後航空發動機高溫防護塗層標準的制修訂建議。

1航空發動機高溫防護塗層技術發展現狀

目前，航空發動機高溫防護塗層主要應用於渦輪工作葉片、渦輪導向葉片和燃燒室內襯等部位的高溫合金或其他高溫結構材料的表面，常見的塗層種類有金屬抗氧化塗層、熱障塗層、內腔塗層、環境障塗層等。高溫防護塗層可以分為擴散型塗層、包覆型塗層、熱障塗層和環境障塗層4大類，常見的塗層成分和製備方法見表1。

表1 航空發動機高溫防護塗層的常見種類和製備方法

表1所列的常見塗層反映了航空發動機高溫防護塗層的發展歷程：鋁化物塗層，改性鋁化物塗層、MCrAlY系列塗層（M為Co、Ni或者Co+Ni）和熱障塗層，還有後來出現的環境障塗層。其中擴散型塗層和包覆型塗層主要起抗高溫氧化的作用，目前歐洲多採用改性鋁化物塗層，美國則以MCrAlY為主；熱障塗層的粘結層則常採用改性鋁化物塗層或者MCrAlY系列塗層，起到抗氧化和提高陶瓷面層與基體材料界面結合性能的作用，面層主要是ZrO2基陶瓷塗層，起到隔熱和抗沖蝕、耐腐蝕的作用。

環境障塗層的出現主要是為了滿足硅基非氧化物陶瓷材料在航空發動機服役條件下的防護需求。硅基非氧化物陶瓷材料在乾燥氣氛中，具有高達1500℃以上的長期服役溫度上限，被認為是極具發展潛力的航空發動機用結構材料。在國外某些新型航空發動機中，硅基非氧化物陶瓷材料已經開始被用作燃燒室內襯等部位的結構材料，預計未來更高推重比的航空發動機導向葉片上也將有較好的應用前景。但是NASA等的研究表明，硅基非氧化物陶瓷材料在高溫水蒸汽環境下，會和水蒸汽發生反應，導致表面化學穩定性急劇下降。環境障塗層則可以在發動機服役條件下，將發動機內的高溫水蒸汽與硅基非氧化物陶瓷材料隔離開來，進而避免硅基非氧化物陶瓷材料的快速失效。

目前，抗氧化塗層的研製已經相對較為深入，一些單位小批量生產的質量穩定性得到了大幅提高。伴隨著渦輪機服役溫度的快速提升，熱障塗層已經在目前普遍使用的粘結層/氧化鋯部分穩定的氧化釔塗層體系，向著長壽命、低熱導率、熱輻射屏蔽等方向發展；由於具有更高極限溫度的單晶高溫合金的廣泛使用，在定向高溫合金用熱障塗層的基礎上，對熱障塗層體系進行改進，以提高熱障塗層對單晶高溫合金基體的適用性也成為研究的重要方向之一。為了更好地滿足硅基非氧化物陶瓷的防護需求，環境障塗層逐漸向著增強塗層高溫相穩定性、改善水蒸汽防護性能和延長塗層高溫氧化壽命的方向發展。

2航空發動機高溫防護塗層標準現狀

高溫防護塗層技術包含3個主要方向：塗層材料及塗層結構設計、塗層製備技術、塗層性能測試和評價。由於航空發動機高溫防護塗層的重要性和技術保密需求，目前相應的行業標準和國家標準主要集中於塗層的性能測試方面，且未能完全涵蓋高溫防護塗層常規性能測試項目；塗層規範和塗層製備工藝相關規範主要為企業內部標準，僅有為數不多的相關行業標準和國家標準。在調研過程中，國外標準主要參考了ISO標準和ASTM和AMS標準，國內標準主要包括GB、GJB、HB和QJ標準。

2.1塗層規範和製備工藝標準

塗層規範指塗層的成分和結構設計、塗層性能要求方面的規範，主要包括：抗氧化金屬合金塗層的成分；熱障塗層整體結構設計、各層結構設計和底塗層成分設計；EBC塗層各層成分和結構設計；塗層的各項性能指標。

總的來說，為了滿足更加苛刻的服役條件下的高溫防護需求，高溫防護塗層逐漸向著多元化、多層化的方向發展，出現了多種新型改性塗層材料，熱障塗層更是出現了微疊層、雙陶瓷層、雙粘結層結構等設計複雜、結構巧妙的塗層結構，而EBC塗層也已經發展至第三代。

製備工藝規範指塗層的製備技術規範。由於塗層體系的複雜性和塗層性能要求的多樣性，塗層製備工藝多種多樣（見表1），而熱障塗層和EBC塗層更是需要綜合應用不同的製備技術。

2.1.1國內外現有行業（或協會）

以上標準國內外航空發動機高溫防護塗層材料和製備工藝的行業及以上標準見表2。表2表明4大類高溫防護塗層材料和製備工藝缺乏系統的規範，基本沒有熱障塗層和環境障塗層的塗層規範，製備技術的標準也僅僅涵蓋了個別常見的高溫防護塗層。

表2 國內外高溫防護塗層材料和工藝的行業及以上標準

2.1.2國內現有企業標準

國內北京航空材料研究院、北京航空航天大學、北京理工大學、西安航空發動機集團有限責任公司等多家單位也編寫了一定量內部企業標準，以滿足各自的實際需求，在一定程度上彌補了行業及其以上級別標準的缺乏。其中，北京航空材料研究院自20世紀80年代起，就結合自身科研需求，編寫相應的高溫防護塗層材料規範和工藝規範，至今為止，已有50餘項相關內部企業標準，涵蓋了部分鋁化物塗層、MCrAlY塗層和熱障塗層的材料和製備工藝，以及高溫防護塗層的部分性能測試方法。

2.2塗層性能測試和評價標準

航空發動機高溫防護塗層的性能測試主要分力學性能、熱學性能、界面結合性能等幾個方面，目前國內測試分析主要採用的國家標準和行業標準見表3。此外，一些從事航空發動機高溫防護塗層研製工作的單位也編製了一定量的企業標準，彌補了諸如熱導率測試等測試標準的空白，並且針對帶高溫防護塗層試樣，對一些國家標準和行業標準進行了針對性的修訂。

表3 國內航空發動機高溫防護塗層常用測試標準

3航空發動機高溫防護塗層標準需求與制修訂建議

3.1塗層規範和製備工藝標準需求

航空發動機高溫防護塗層的塗層規範和製備工藝規範嚴重缺乏，主要體現在下列方面。目前僅有部分鋁化物塗層的製備工藝規範，缺乏其它常用製備工藝規範，例如電子束物理氣相沉積技術製備熱障塗層面層、等離子噴塗技術製備環境障塗層的BSAS層；缺乏塗層材料的行業和國家級規範，對熱障塗層和環境障塗層基本沒有涉及，標準的制定工作嚴重滯後於科研生產的發展情況；鑒於實際需求，目前的標準制修訂工作主要是在企業層面開展，而未能改變多家單位各自為戰的現狀。

3.2塗層性能測試和評價標準需求

航空發動機高溫防護塗層的性能檢測標準相對較為完善，但是仍然存在以下問題：

一是缺乏熱導率、熱擴散係數等隔熱性能測試、室溫彎曲和塗層外觀測試的行業級及以上規範；

二是環境障塗層是新發展起來的塗層，沒有全面性能要求和抗水蒸汽性能測試的規範；

三是力學性能測試方面，大量借鑒了拉伸、蠕變等無塗層試樣的標準，未針對高溫防護塗層試樣的國家標準和行業標準進行相應的修訂。

3.3高溫防護塗層標準制修訂建議

鑒於航空發動機高溫防護塗層標準制修訂現狀，應該結合航空發動機的實際需求和發展趨勢，在建立和完善相關單位企業標準的同時，充分認識到標準制修訂工作的重要性，加快行業標準和國家標準制修定的步伐，逐步改變目前以性能測試標準為主、其它標準嚴重缺乏的現狀。在標準制定過程中，要充分考慮單晶高溫合金等新基體材料的應用對高溫防護塗層及其製備工藝，甚至是塗層性能要求的影響，盡量增強標準的適用性。

塗層規範方面：結合航空發動機高溫防護塗層的現狀和發展趨勢，對正在發展成熟且具有重要地位的塗層，例如環境障塗層和新型熱障塗層，加快塗層規範的制修訂工作進度，實現搶先佔位。塗層製備工藝方面：結合高溫防護塗層製備工藝的多元化趨勢，針對主要製備工藝進行標準的制修定工作，尤其是要填補電子束物理氣相沉積熱障塗層、化學氣相沉積內外腔塗層方面的空白。

塗層性能測試和評價方面：進一步完善塗層性能測試和評價標準，加緊標準制定工作，填補仍然存在的空白領域，例如室溫彎曲和熱導率；同時逐步改變帶塗層試樣部分常規性能測試（例如一些力學性能測試）依賴無塗層金屬試樣標準的現狀，針對塗層測試的實際需求，對對應的性能測試標準做出修訂或補充制定。

來源：北京航空材料研究院 常偉、紀燕玲、袁文明。