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“只要推力大，板砖也能飞上天”，军事爱好者们常用这句话来调侃航空发动机的重要性。自主研制高性能发动机是提升国家核心竞争力的重中之重，而航空发动机的一盘（涡轮盘）两片（导向、工作叶片）的承温能力成为发动机先进程度的重要标志。要“修炼”好“一盘两片”的承温能力，一是要找到更合适的耐高温材料，二是要提高冷却技术，三是要在材料表面增加高温防护涂层。 全球航空届在过去几十年里都在着力研制新型耐高温材料，耐高温材料制备技术得到了很大的发展，从锻造合金发展到常规铸造合金，再从定向凝固合金发展到单晶材料，材料的使用温度提高300 ℃左右。金属和合金都属于金属晶体，绝大多数工业用的金属材料不是只由一个巨大的单晶（晶粒）所构成，而是由大量单晶（晶粒）组成，即多晶体。晶粒与晶粒之间的接触界面叫作晶界。定向凝固合金叶片消除了对空洞和裂纹敏感的横向晶界，使全部晶界平行于应力轴方向，从而改善了合金的使用性能；而单晶叶片是指只有一个晶粒的铸造叶片，单晶叶片消除了全部晶界，不必加入晶界强化元素，使合金的初熔温度相对升高，从而提高了合金的高温强度，并进一步改善了合金的综合性能，弥补了传统的铸锻高温合金铸锭偏析严重、热加工性能差、成形困难等难点。但是单晶高温合金叶片制造存在诸多技术难题，一是结构复杂，内部有精细的风冷通道需要铸造成形，这导致叶片铸造时会出现很多结构性缺陷；二是制造过程中会出现杂晶、小角晶界等多种不同类型的冶金缺陷，每种缺陷的产生都会造成高温合金叶片的报废，导致其合格率很低。高温合金的单晶体铸造一直是全球航空届的主要研究领域。 尽管高温材料研究取得了很大成就，但是在航空发动机中，实现高效率热力过程所需的涡轮进口温度值仍大大超过了材料强度容许的工作温度，这就要求涡轮叶片要有良好的冷却系统。随着涡轮进口温度的上升，涡轮叶片的冷却技术也得到不断的发展。最早的典型冷却方式有对流冷却、冲击冷却、气膜冷却等。对流冷却是最简单的冷却方式，最大冷却效果仅可达250℃左右；冲击冷却，又称为喷射冷却，作为对流冷却的一个分支，效果却高出好几倍；气膜冷却是一种在被冷却的涡轮叶片表面上排气的冷却系统，是现代涡轮高温部件的主要冷却方法；对流、冲击、气膜三种冷却方式相结合称为复合冷却，被广泛应用于先进的航空发动机上。如今，更加高效的强化冷却技术逐渐成为航空航天领域关注的焦点。 选择高温强度足够高的合金作为基体提供部件所需的力学性能，表面施加防护涂层提供抗高温氧化和耐热腐蚀能力成为第三条承温能力“修炼”之路。根据高温防护涂层的发展历史，航空发动机领域先后经历了第一代铝化物涂层、第二代改性铝化物涂层、第三代MCrAlY包覆涂层与第四代热障涂层等。作为第四代防护涂层的代表，热障涂层是目前防护性能最佳、应用前景最好的表面防护涂层之一。热障涂层是一层陶瓷涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的发动机涡轮叶片能在高温下运行，并且可以提高发动机热效率。应用有热障涂层的“一盘两片”等部件，几何形状、微观结构极为复杂，除了高温，还需要面临极高压力、极高气流速度、超高转速等服役环境，致使涂层发生各种形式的剥落。 |
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