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涂层技术在航空航天材料领域的应用

时间:2012-11-25 19:28:12  来源:新材料产业  作者:袁建鹏

  涂层技术在航空航天材料领域的应用
  袁建鹏
  新材料产业
  研制大飞机是党中央、国务院做出的重大战略决策,是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》的重大专项之一。大飞机是复杂的系统工程,它应用现代科学技术众多领域的最新成就,是科学技术与国家基础工业紧密结合的产物,也是一个国家科学技术和工业水平的重要标志。航空、航天产业涉及国内外成千上万家企业和科研单位,代表着国家民族的希望和利益,其重要性不言而喻,而在大型飞机发动机、航天飞行器、导弹推进系统等研制过程中,材料研制技术成为其关键技术之一。温家宝总理在视察阎良航空城时强调 :“大飞机的研制成功必须要解决3大关键技术 :第一是发动机,第二是材料,第三是电子设备”。其中,涂层材料和技术作为航空航天材料的基础材料之一,也是不可缺少的重要组成部分。
  涂层技术具有“低投入、高产出”的特点,随着国民经济的快速发展,资源紧缺与日俱增,各工业领域部件的表面强化、修复、再利用日益受到政府和企业的重视,已成为工业制造产业链中非常重要的一环,已在发达国家航空、汽车、冶金、电力、机械等工业使用的大量关键零部件表面强化与修复再造过程中获广泛的应用,创造了巨大的社会和经济效益。资料表明,美国自2003年开始,涂层产业的年产值已为GDP的0.4%以上,2011年总产值更是达到了600亿美元 ;日本的涂层产业产值也达2万亿日元水平,并以显著超出本国平均工业增长速度,快速壮大与发展。而航空航天领域产品及各零部件的可靠性等要求非常高,每一环节都不容许出现任何差错,涂层技术给航空航天行业带来更多的支持与保障,特别是在热障、封严、耐磨、抗氧化等方面起到了很关键的作用。
  一、涂层技术在航空领域的应用
  航空发动机被称为“工业之花”、“皇冠上的珠宝”,是一个国家工业基础、科技水平和综合国力的集中体现,也是决定大型飞机研制能否成功的关键。作为大飞机的“心脏”,航空发动机是一项十分复杂的高科技系统工程,同时也是目前制约我国飞机制造业发展的“瓶颈”。发动机材料是大飞机研制关键技术中的关键,航空发动机使用了10000多个部件,有许多易损件和必换件需要在大修周期中更换,易损件和必换件中使用了大量的涂层材料,因此,表面技术在航空发动机的修复和经济运行中发挥着至关重要的作用。
  航空发动机是特种功能涂层应用的重要领域,其1/3多表面需要使用特种功能涂层主要包括高温热障涂层、复合封严涂层、防钛火涂层、耐磨涂层等,一台发动机有10000多个零部件。航空发动机涂层技术能够赋予发动机部件耐高温、耐磨损、抗氧化、耐腐蚀、隔热、隐身、封严、阻燃、防冰和润滑等功能特性,满足更高温度、更高磨损、更强腐蚀等恶劣工况条件下的使用要求。因此,表面技术对提高发动机的效率、燃油消耗率、零部件的可靠性和使用寿命发挥着重要的作用,已经成为大推力航空发动机的核心技术之一。
  在航空发动机涂层技术中,喷涂技术起到了主导的作用。喷涂产业发达国家的经验显示,热喷涂作为高技术产业和多学科的交叉、边缘技术,对制造业的发展状态和产品结构极其敏感,有很强的依附性。然而,2007年我国热喷涂产值仅占国家GDP的0.09‰,对比国外其他国家比重较偏低(图1),这一方面反映了喷涂产品结构亟待调整,另一方面也说明产业总体规模有待扩大。
  国外使用热喷涂技术进行航空发动机零部件修复起步较早。据罗·罗公司(R·R)的统计表明,1996年前航空发动机零部件中有60%因磨损而报废,采用热喷涂耐磨涂层修复后,报废率降至33%,效果显著。目前,热喷涂技术在国外的航空发动机修理中被广泛地应用于风扇叶片、涡轮叶片等部件上,清除变质失效的旧涂层后使磨损的零件恢复尺寸再进行重新喷涂,从而达到提高发动机效率、延长发动机使用寿命的目的。
  目前,国外已形成多家专业化的零部件表面强化与修复的跨国企业巨头,如瑞士的苏尔寿美科(Sulzer Metco)表面技术公司和德国的STARK公司是全球涂层材料最主要的供应商,每年为通用公司(GE)、R·R、Parsons &Whittemore (P&W)公司提供近百种涂层材料,年产值高达60多亿美元 ;
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  德国的GTV和美国的Praxair公司是热喷涂设备及大型工业部件涂层技术服务的主要供应商,年产值也高达80多亿美元。零部件表面强化与修复制造企业在国外呈现出集团化的趋势,即集成材料生产、涂层制备加工、工程承包、涂层技术开发和咨询服务为一体,并建立了装备精良、学科理论先进的零部件表面强化与修复研发中心。
  在这个研发基础平台上,几十年如一日系统、全面、连贯地进行零部件表面强化与修复产品的研发,形成了系列化、标准化和工程化的较为完整科学的体系。
  我国该产业的发展相对较晚,但发展空间巨大。中国将在今后10年中成为世界第2大商业飞机市场,仅次于美国。今后20年内,中国航空公司将需要1912架飞机。据此推算,对航空发动机涂层材料的需求将达到900 ~1500t/a,产值18 ~24亿元/a,航空发动机涂层制备和修复的产业规模将在162 ~235亿元/a,市场前景巨大。
  本文将介绍几种比较典型的航空航天涂层材料。
  1.封严涂层材料
  大推力、高效率、低油耗是航空发动机设计和制造的总体目标,为此应尽量提高涡轮机进口气体温度,并减小转子与静子部件之间的间隙。典型发动机的高压涡轮叶尖间隙每减小0.13 ~0.25mm,油耗可减少0.5%~1%,发动机的效率可提高2%左右。因此,表面技术对提高发动机的效率、燃油消耗率、零部件的可靠性和使用寿命发挥着重要的作用,已经成为大推力航空发动机的核心技术之一。可磨耗封严涂层大多由一定比例的金属相和具有自润滑作用的非金属的复合材料组成,还有较多的孔洞。其中金属相的作用是抗腐蚀、抗氧化,保证涂层自身的强度以及和基体的结合强度。常用的金属相有: 镍(Ni)、铝(Al)、铜(Gu)及其合金等 ;非金属相的作用是保证了可磨耗性、减磨、抗粘着。非金属相有石墨、六方氮化硼、二硫化钼、氟化钙、硅藻土、膨润土和高分子聚合物等。这些非金属相大多具有低的硬度、低的剪切强度和低的摩擦系数,而孔洞的存在会降低涂层的硬度。
  国内从事封严涂层材料研制和生产的单位集中在北京,主要有北矿新材科技有限公司(简称“北矿新材”)、中国科学院过程工程研究所以及部分高校等。其中,北矿新材是我国规模最大、起步最早,也是唯一同时开展美系和俄系涂层材料系统研制和生产的单位。我国航空发动机用新型热喷涂涂层均要由该公司研制。航空用先进发动机的国产热喷涂材料产品主要由其供应,是国内研制和生产封严涂层材料产品最全的单位,系列封严涂层材料的各项性能指标已经达到与国外进口产品相当的水平。目前,国内开发的具有完全自主知识产权的军用热喷涂复合粉末产品40余种,其中复合型封严涂层材料产品近30种,产品突破了骨架材料与可磨耗组分的均匀复合、涂层硬度与结合强度的良好匹配等关键技术,综合性能达到国际先进、国内领先水平,产品系列覆盖从航空发动机低温段(-50℃增压机)到高温段(1100℃涡轮机)的各个部位。北矿新材几种复合型封严涂层材料的扫描电镜图见图2所示。
  在产品研制方面,我国针对满足新一代发动机对长寿命、高可靠性涂层的设计和使用需要,已初步实现了封严涂层考核试验平台由无到有的历史性跨越,显著提升了封严涂层材料
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  的研制生产与应用水平,这些成果对提升我国封严涂层的技术成熟度并推动其系列化、标准化和工程化,具有重要的现实意义。
  2.热障涂层材料
  热障涂层主要应用于航空发动机工业,具有良好的隔热效果与高温抗氧化性能。随着航空燃气涡轮机向高流量比、高推重比、高进口温度方向发展,燃烧室中的燃气温度和压力不断提高。目前,燃气温度已接近2000K。为适应这一恶劣的涡轮工作环境,对陶瓷热障涂层技术提出了更高的要求。目前广泛应用的热障涂层为双层结构,由金属粘结底层和陶瓷面层组成,其中陶瓷层材料的热物性能(导热系数、热膨胀系数和力学性能)对热障涂层的隔热性能和使用寿命有至关重要的影响,是热障涂层系统中的关键部分。
  我国的热障涂层材料研制和生产集中在北京矿冶研究总院(北矿新材)、中国农业机械化科学研究院(简称“中国农机院”)、山东大学、武汉材料保护研究所等,热障涂层材料正在向纳米化和高纯化方向发展 ;涂层研制除了航空发动机厂家外,主要有中国农机院、北京矿冶研究总院、北京航空航天大学等,涂层制备方法集中在等离子喷涂和物理气相沉积、PS-PVD等。北矿新材早在“七五”期间即开展热障涂层方面的研究工作,为某发动机进行了“航空发动机用热障涂层材料”的研究。所研制的热障涂层材料于1992年开始获得批产应用,并获得了省部级科技进步二等奖。目前,该公司为国内唯一同时开展热障涂层底层和面层系统研究的企业,开展了一系列底层与面层结构匹配性的深入研究工作,在国内首次实现了三氧化二铬(Cr2O3)系列喷涂材料的国产化,成功研制出高纯度、高稳定、高致密度的三氧化二钇(Y2O3)喷涂材料。迄今为止,该公司的热障涂层材料已成功为数千台各型号航空发动机提供热障涂层材料上千吨。该公司部分热障涂层材料见图3所示。
  3.合金粉末材料
  我国的合金粉末研发和生产主要采用雾化制粉工艺,目前已经能够制备出高纯净度、低氧含量、细粒径的MCrAlY系列〔M代表钴(Co)、镍(Ni)、铁(Fe)等)〕等合金粉末,产品的粒度控制、成分控制、球形度和氧含量等性能达到国际先进水平 ;航空发动机及燃气轮机需用的合金粉末已经实现国产化,采用该粉末制备的零件涂层使用寿命(1000℃时)超过了 1200h,1050℃空气中 100h的抗氧化低于0.01mg/cm2·h;由北京矿冶研究总院研制成功的雾化制粉工艺打破了欧洲国家对我国细粒径、低氧含量MCrAlY材料的技术封锁,填补了我国高性能合金粉末制备的空白 ;北矿新材是国内热喷涂领域最早从事合金粉末研制、生产的单位之一,掌握气雾化、水雾化、真空雾化等雾化制粉的众多关键工艺技术。自20世纪50年代开始,北矿新材迄今共开发成功了MCrAlY、钴铬钨(CoCrW)等系列高熔点合金和银锌铜(AgZnCu)、铜铝(CuAl)、铝硅(AlSi)等30余种规格的合金粉末,这些产品性能达到了国际先进、国内领先水平,已有近20种型号获得广泛应用(图4)。
  我国合金涂层的生产主要分布于大型央企,尤其是航空行业中,科研则主要分布于科研院所和大学。目前,国内航空发动机厂家相关科研条件较为缺乏,仅部分公司配有电镜等先进设备,科研单位的科研条件相对较好。国内相关涂层生产装备参差不齐,部分公司和科研机构配备有进口的电子束物理气相沉积(EB-PVD)、热喷涂、电弧离子镀、化学气相沉积等装备,生产任务均非常饱满。近年来,部分航空、航海央企开始组建研发中心,并与科研院所和大学形成松散联盟,如今科研院所和大学也开始承担部分生产任务。
  4.耐磨耐蚀涂层
  我国研制航空耐磨耐蚀涂层的优势单位除了航空发动机厂家外主要有广州有色金属研究院、中国科学院金属研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、北京矿冶研究总院等。我国研制的系列耐磨耐蚀涂层材料的各项性能指标已经达到与国外进口产品相当的水平,特别是高温稳定性碳化物系列金属合金材料与涂层、纳米陶瓷弥散强化减摩涂层材料与涂层等许多成果处于国际学术研究前沿,其中超过半数的耐磨涂层材料已推广到民用领域。
  目前,我国耐磨耐蚀涂层总的发展趋势是 :涂层材料不断发展,功能不断强化,工艺技术不断创新,应用面不断扩大,生产过程绿色,涂层技术复合化。主要发展方向有 :超音速火焰喷涂替代爆炸喷涂和大气等离子喷涂 ;先进表面工程技术替代电镀硬铬 ;低温等离子喷涂、PS-PVD、激光熔覆、电弧离子镀等新型涂层制备技术不断出现 ;应用环境多元化、涂层材料成分复杂化。
  二、涂层技术在航天领域的应用
  因为导弹种类本身种类繁多:洲际、中程、防空、潜地、液体推进剂、固体推进剂、太空和低空等,卫星也各种各样,它们各有各的特点,各有各的需要,这就造成材料也五花八门,液体、固体、气体、黑色金属、有色金属、各种非金属、超塑材料、复合材料、粘接灌注材料等,有数千种,可以说是应有尽有。航天用涂层材料要求苛刻,保证其性能优越,但对材料可修复性的要求不像航空那么必需。主要的航天用粉体材料包括:
  ①抗高温,抗高压涂层材料。发动机推进剂药柱燃烧时,产生3000℃以上的高温、6Mpa的高压,瞬时产生2500℃的温差热冲击,其容器材料必须承受。②耐超低温材料。用液体燃料液氮,液氧和液氟作推进剂的火箭,其液体贮存罐用材料应能承受数百度的高温。③抗腐蚀,抗烧蚀材料。④能承受大载荷,如潜地导弹,能承受巨大的水下载荷的材料。⑤隐身性好,避免敌方雷达搜索的材料。⑥抗干扰性强的材料。⑦耐受恶劣的环境条件的材料。⑧有良好的化学性能、物理性能、力学性能、工艺性能、使用性能、保证材料满足条件特殊要求的材料。同时,对材料要进行拓宽研究,针对结构材料要拓宽到微观结构、晶粒度、夹杂等方面,对功能材料要拓宽到各种功能参数的灵敏度(包括特殊的环境下)如精密合金的导磁率、矫顽力、剩磁、电绝缘介质的电阻率、耐电压、损耗、介电常数等。对特殊材料的要求按其特点逐一解决,如微波复合材料的透波性和吸收性,密封灌注材料的密封性,粘合剂的粘接强度等。⑨航天含能材料。固体推进剂是火箭的主要燃料。国内的北矿新材是固体推进剂含能材料领域唯一从事全系列无定形硼粉和纳米铝粉特种燃料研发、生产和检验的专业单位,早在20世纪80年代含硼固体推进剂处于起步阶段时,便在国内率先开展了优质高纯硼粉和超细铝粉的系列化研制工作,研制的硼粉和超细铝粉,打破了国外禁运,填补了国内空白,满足了此类高端燃料的国内急需,使我国固体推进剂能量由始终徘徊的中能水平终于开始迈入企盼已久的高能时代(10kN·s/kg以上)。国内硼粉的主要生产厂家还包括营口辽滨精细化工有限公司、唐山威豪镁粉有限公司以及丹东化工研究所有限责任公司等,但大多集中在较低纯度级别产品生产上,可用作提纯原料 ;北矿新材经过20多年不懈努力,采用自主设计研发的扩散提纯-高能活化工艺、复合制粒等专有工艺制备出了独特专有的高纯、超细、纳米硼粉、活性金属复合(Mg/B、Al/B、Ti/B等)硼粉、高能包覆硼、多种粒度团聚硼等多种规格的高性能无定形硼粉和纳米铝粉高端产品,产品的粒径、纯度、表面状态、燃烧效率等性能达到国外同类产品先进水平,突破了该类战略物资的欧美发达国家技术封锁,建立起了国内唯一一条高纯优质硼粉中试线,如今产品已稳定用于等新一代超声速战术导弹,并已成为国内新一代先进整体级发动机“清洁”推进剂首选的高能燃料,相关技术代表着国家水平。
  三、前景展望
  中国将在今后10年中成为世界第2大商业飞机市场,仅次于美国,航空航天材料制备产业市场前景巨大 ;航天领域对涂层材料和技术的需求量也在不断的提升,对涂层技术水平、服务能力提出了更高的要求 ;我国石化、工程机械和机床等行业对表面技术的依赖度不断地提高,使涂层产业面临难得的历史发展机遇,市场前景广阔 ;“循环经济、可持续发展”是我国经济发展的方针和国策,发展符合这一战略方针的涂层材料产业是一个非常好的发展时机。同时,国外的涂层材料企业已陆续打入国内市场,为国内企业带来巨大挑战和竞争压力。因此,国内企业只有抓住这一时机,探索新的科研、开发和成果转化的模式,提高技术的原始创新和工程化的水平,整合各方面资源,提升综合能力,才能促进表面技术产业的迅速发展,在取得显著经济效益的同时,成为该行业的引领者。
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