金漆奖

广东省科学院召开航空发动机先进涂层技术联合实验室揭牌仪式

2021年1月上旬,广东省科学院新材料研究所举行了航空发动机先进涂层技术联合实验室揭牌仪式和工作会议。

2021年1月上旬,广东省科学院新材料研究所举行了航空发动机先进涂层技术联合实验室揭牌仪式和工作会议。

中国航发南方工业有限公司是我国经验最丰富、供应量最大的中小航空发动机生产基地,省科学院新材料研究所拥有现代材料表面工程技术国家工程实验室等高层次技术研究平台和先进的涂层技术,30多年来,双方合作密切,硕果累累。

此次联合共建“航空发动机先进涂层技术联合实验室”,是双方进一步深化合作、凝聚共识,共同应对航空产业外部制约和全新挑战的创新实践,旨在打造掌握系列先进涂层关键技术的专业实验室,促进航空发动机先进涂层技术达到国际先进水平,助推我国航空发动机事业的创新发展。

广东省科学院召开航空发动机先进涂层技术联合实验室揭牌仪式

航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械,作为飞机的心脏,不仅是飞机飞行的动力,也是促进航空事业发展的重要推动力,人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。航空发动机包括涡轮喷气/涡轮风扇发动机、涡轮轴/涡轮螺旋桨发动机、冲压式发动机和活塞式发动机等多种类型,不仅作为各种用途的军民用飞机、无人机和巡航导弹动力,而且利用航空发动机派生发展的燃气轮机还被广泛用于地面发电、船用动力、移动电站、天然气和石油管线泵站等领域。

随着航空发动机技术不断发展和性能不断提高,涂层技术作为先进航空发动机必不可少的关键技术在发动机中应用越来越广泛,从低温端到高温端,从外部到内部,各种涂层发挥着防护,密封,抗磨,抗冲击,减震,隔热等作用,从而提高发动机工作温度,减少燃油消耗,提高发动机效率,延长热端部件使用寿命,保障发动机安全可靠的工作。

涂层是涂料一次施涂所得到的固态连续膜,是为了防护,绝缘,装饰等目的,涂布于金属,织物,塑料等基体上的塑料薄层。涂料可以为气态、液态、固态,通常根据需要喷涂的基质决定涂料的种类和状态。

发动机涂层,整台发动机,从风扇到尾喷管的主要部件无不使用涂层。发动机涂层按用途分为抗氧化耐腐蚀涂层、隔热涂层、耐磨涂层和封严涂层。

①抗氧化耐腐蚀涂层:早期发动机因工作时间短而高温合金又含有足够的铬、本身能抗氧化,所以不施加涂层。然而,随着发动机寿命的延长和温度的提高,以及高温镍基合金中铬含量降到原有的50%,已不能抵抗高温氧化和热腐蚀,需要涂层防护。高温氧化和热腐蚀是涡轮叶片损坏的主要原因,可使工作寿命缩短到300小时。涂覆涂层后高温部件工作寿命可延长2~3倍。压气机转子和静子叶片使用含铝磷(铬)酸盐涂层保护。燃烧室既可使用高温搪瓷又可涂覆含铝磷(铬)酸盐涂层。涡轮转子和静子叶片多用加有铬、钛、硅、钇等改性元素的铝化物扩散涂层或扩散障涂层。加力燃烧室使用高温搪瓷或陶瓷涂层。 发展中的金属-铬-铝-钇包覆涂层的使用寿命比扩散涂层增加一倍以上,使用温度达1100°C。这种涂层常与氧化锆基隔热涂层组合使用,可降低温度50~100°C。

②耐磨涂层:影响发动机寿命的另一个因素是高温磨损,包括撞击磨损和微振磨损。爆炸喷涂或等离子喷涂碳化钨-钴、碳化铬-镍铬涂层最为有效。涂覆后,零件的耐磨损寿命可延长7~100倍,已在大型运输机的发动机上广泛使用。

③封严涂层:涂覆在发动机气流通道的间隙部分。涡轮的径向间隙每增大0.13毫米,发动机单位耗油量约增加0.5%;反之,减少0.25毫米,涡轮效率提高1%。另外,减少压气机的径向间隙还可以提高发动机的抗喘振能力,从而改善飞行安全性。常用的封严涂层要求硬度适中,既有强度又便于刮削。滑石粉涂层和镍-石墨涂层已获应用。正在研制中的氧化锆涂层能承受1300°C的高温。

火箭发动机涂层,液体火箭发动机一般采用再生冷却,不需要涂层保护,但有时为了增加温降,在燃烧室内壁喷涂氧化铝或氧化锆隔热涂层。姿态控制火箭发动机多使用铌、钼等难熔合金,必须有防氧化涂层的保护才能工作。

温控涂层,航天器在太空的热环境十分恶劣,背阳面温度可达-100°C,向阳面可达+120°C左右。为保证航天员的生命安全和仪器设备的正常运转,在航天器表面涂敷温控涂层可以平衡与空间的热交换,维持舱内的正常温度。已经获得应用的温控涂层有有机硅氧化锌、硅酸钾氧化锆和氧化铝涂层。

文章来源:广东省科学院

责任编辑:余凯旋

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