航空發動機大跨越！國產「熱障塗層」突破，可承受2000℃高溫

2020-09-21 蝦兵寫將

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世界最先進航空發動機

航空發動機可以說是飛機的心臟，在航空業中佔據著舉足輕重的地位。而且世界上擁有自主研發航空發動機的國家並不多。飛機發動機是一種高度複雜、高精度的熱力學機械，它作為飛機的心臟，為飛機提供強大的動力。

事實上！它的工作原理是進氣道吸入大量空氣，然後壓縮空氣，進入燃燒室混合汽油燃燒，產生高溫的氣體，通過尾噴管噴出，增加氣動，使發動機產生反向推力，為飛機飛行提供動力。而葉片也是必不可缺的一部分，並且這些葉片還需要經受高溫、腐蝕的考驗，所以對材料的要求也很高。所以，一個國家掌握了航空發動機技術，就意味著高精尖製造業達到了國際領先水平。

所以！發動機整個機體從軸承到葉片的耐熱材料是最重要的一點，發動機本身的耐熱材料對發動機來說至關重要，因為發動機產生的熱量越高。是制約我國航空發動機發展的一個重要因素。內燃機的耐熱材料則體現在工業製造業中。此前我國研發的一款材料，有效的的解決這一技術壁壘，我國先進的航空發動機又近了一步。

航空發動機的結構

實際上！目前航空設備的主流是採用7-8推重比為7-8的第三代飛機發動機，如美國的F-15、F-16、F-18，中國的殲10、殲11等戰機，空客A320、波音737等各系列民用飛機。汽輪機的進氣溫度在1680-1750 K左右。

F119發動機由美國 PrateWhitney公司研製(美軍F-22預製構件，世界上第一臺5代機)，推重比為10.8，渦輪前進口溫度為1900 K。這種溫度，已經超過了碳鋼幾百度的熔點。所以渦輪葉片材料應具有耐高溫、低蠕變、耐疲勞、良好的力學性能。如果說它是好造的，那麼恐怕現在就沒有別的難事了。

另外，隨著航空發動機渦輪前溫度的不斷升高，原來的單通道空心冷卻葉片的冷卻效果已不能滿足實際需要，研製更加先進、更加複雜的多通道多通道冷卻系統已成為下一代航發系統的關鍵技術。而且每次冷卻方案的優化都是對渦輪葉片設計與製造的重大考驗！冷卻器的發展，仍然無法完全解決，或者滿足材料承載溫度和渦輪前進口溫度的差距。為此，還需要在渦輪葉片的燃氣管道表面噴塗一層熱障塗層TBC。

TBC是通過在零件表面上沉積粘結一層具有低傳熱係數的材料，利用其傳熱特性低的特點，在零件內外表面形成溫降，從而降低零件表面工作溫度(或提高零件的承溫能力)。有數據表明，熱障塗層可以達到50K-150 K的保溫效果。

現在實際應用於渦輪發動機的熱障塗層都是兩層結構：表面陶瓷層，主要起到保溫作用，同時也起到抗腐蝕、衝刷和侵蝕的作用；內部金屬粘結層，主要起到提高金屬基體與陶瓷層物理相容性，增強塗層抗高溫氧化性能的作用。

在金屬基體表面塗裝塗層時，要考慮塗層的粘附性，對金屬基體微觀組織穩定性的影響，以及塗層與金屬熱脹係數的差異可能引起的剝落問題，需要空心葉片金屬材料學科多個領域的相關專家聯合起來，共同研究開發。

因此對熱障塗層進行深入研究是各國首先突破的技術壁壘，這一技術是航空發動機領域中最為重要的一環。熱障塗層能顯著降低先進航空發動機葉片的表面溫度，大大延長葉片的工作壽命，提高發動機的推力和效率，因而與葉片冷卻設計技術、單晶高溫合金材料技術並用，是先進航空發動機葉片三大關鍵科技之一。

但是美國用了將近20年的時間來研究這項技術，即便如此，它的結果還是相當平淡無奇。針對這一問題，專家們認為，熱障塗層可以顯著降低葉片的表面溫度，利用這種技術，可大大降低航空發動機的葉片溫度，有效提高發動機的使用壽命。並且將溫度控制在有效範圍內，能最大限度地提升發動機性能。

但我國早在上世紀90年代就已經認識到了熱障塗層技術的重要性。於是組織專家夜以繼日地研究這一技術。自1996年起，徐惠彬/宮聲凱團隊進行新型梯度粘結層熱障塗層的研究，經過23年的努力，終於取得了這一成果。

熱障塗層的結構體系

據報導，中國一家材料科研團隊研製了一種新的陶瓷熱障塗層，通過後期的進一步完善而獲得成功，將一舉打破國外最高耐熱紀錄，使國產航發進口最高溫度達到1800度，助國產航空發動機推力得到躍升。有關專家表示：隨著技術的成熟，再結合五代單晶高溫合金，將其應用到渦扇-15航空發動機上，中國新一代航空發動機的總體性能將空前優化。

而且，這一次，中國研製的新型稀土鉭酸鹽陶瓷材料熱障塗層與氧化鋯相比，在耐熱性和使用壽命方面具有明顯優勢。值得注意的是，目前，全球範圍內，只有中國科研團參與了這類材料的研究，也就是說，從最初的新型材料的發現，到最終的實用系統的建立，都是由中國點滴建立，擁有完全自主的智慧財產權。

如今，全球主要軍事大國也被中國的這一突破所吸引，開始更加積極地在熱障塗層領域攻堅。世界普遍認為中國的熱障塗層技術必將在世界舞臺上佔有一席之地。

事實上！中國的這項技術一經曝光，西方和歐洲等28個國家要求中國出口這種熱障塗層技術。針對這一點，我們的專家說，技術是我們的，出不來由中國自己決定，沒人能要求我們做什麼。

總結來說，我國每次歷史性突破大國重器，都是幾代中國人辛勤勞動的結晶。並非一朝一夕。而且，所謂行業頂端不過是跨代的領頭羊，有你沒有的東西罷了，但世界從來就是十年河東十年河西，技術的最高點和最低點也在不斷地被洗牌。相信在不久的將來我國會研製出更先進的航天發動機。

相關焦點

  • 熱障塗層成為高性能航空發動機必不可少的「防護服」
    眾所周知，推重比是衡量航空發動機性能的重要標誌。要想獲得更大的推重比，就必須提高發動機渦輪前的進口溫度。因此，對渦輪部件抗高溫能力的要求也相應提高。從用途上來看，發動機的「防護服」通常有以下幾類：抗氧化和防熱腐蝕的塗層，防止葉片尖端劃傷內腔的耐磨塗層，填補部件組合處細小縫隙的封嚴塗層，以及在葉片表面起到隔熱作用的熱障塗層。熱障塗層常用於高溫防護，是近年來塗層研究領域的熱點之一。
  • 昆工團隊熱障塗層技術研究國際領先
    雲南日報近日，由昆明理工大學金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程實驗室，馮晶教授團隊研究的超高溫鉭酸鹽熱障塗層技術取得新突破，將最高使用溫度提高至1400攝氏度至1600攝氏度，將隔熱降溫梯度提高100攝氏度至500
  • 國產渦扇-15航發的成功離不開各種金屬材料的研製
    渦輪前溫度是現代航空發動機關鍵指標之一，這個渦輪指的是高壓渦輪，航空發動機屬於熱機，能量來源於空氣受熱膨脹，從能量守恆角度來講，燃氣溫度越高，產生的能量越大，但是航空發動機燃氣溫度有一個限制，那就是高壓渦輪承受能力，噴氣式發動機工作需要空氣由壓氣機送入燃燒室，而高壓壓氣機由高壓渦輪帶動，因此高壓渦輪需要承受高溫高速燃氣帶來的衝擊，還要高速旋轉帶動高壓壓氣機，對於材料要求極高，所以高壓渦輪與燃燒室、高壓壓氣機被稱為發動機
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    因為從上個世紀七十年代開始，美國等一些國家就開始在航空發動機領域小有成就了。從時間上來推算的話，美國在該領域至少領先我國長達半個世紀的優勢。尤其在熱障塗層領域展開深入研究，該技術是航空發動機領域最重要的一個環節。
  • 渦輪技術傳出好消息，可耐受2000℃高溫，28個國家要求出口
    尤其在熱障塗層領域展開深入研究，該技術是航空發動機領域最重要的一個環節。那麼熱障塗層到底有什麼重要作用呢？對此，專家表示，熱障塗層可以顯著降低葉片合金的表面溫度，有了這樣的技術，航空發動機的扇葉溫度就會大大降低，有效的提升發動機的使用壽命。而且溫度控制在有效範圍內的話，可以最大提升發動機的性能。
  • 中國渦輪葉片技術突破，可承受2000度高溫
    眾所周知，我國的航天事業之所以沒能夠得到快速的發展，最大的原因就是我國的航天發動機一直沒有突破，但是我國在渦輪葉片技術上得到了新的突破，這是航空發動機上非常重要的技術，可以說是直接超越了美國，世界上至少有30富哦個國家要求我們出口。
  • 漲知識│航空發動機製造的4個難點
    相信很多關心航空發動機發展的金粉們都聽過這樣一個斷言：航空發動機不好是因為材料不行。材料是問題之一，但難題是多方面的。一臺民用發動機需要無故障地、穩定地工作3萬小時，在工作過程中，一方面轉速極高（每分鐘約15000轉），需要承擔葉片本身重量1萬倍的離心力；另一方面，燃燒室溫度達到1800K以上，與之對照，目前熔點最高的鎳基高溫合金初熔點不到1600K。
  • 航空發動機難造全因為材料不行？這還真不是！
    今天，我們來盤點一下民用航空發動機製造的四個難點。更為直觀地說，航空發動機1個葉片榫頭（工作葉片和渦輪盤相連的部分）所承受的離心力高達約150kN，大約15噸。鎳基高溫合金在高溫下比強度較其他金屬更高發動機葉片的工作溫度已經遠遠超出了合金的熔點，為解決這個問題，可以採取幾大技術。
  • 航空發動機技術難點淺析，可能和你想的不一樣
    相信很多關心航空發動機發展的金粉們都聽過這樣一個斷言：航空發動機不好是因為材料不行。材料是問題之一，但難題是多方面的。更為直觀地說，航空發動機1個葉片榫頭（工作葉片和渦輪盤相連的部分）所承受的離心力高達約150kN，大約15噸。燃燒室溫度1800K以上，超過高溫合金熔點↓↓航發各部分金屬材料分布↓↓民機發動機燃燒室的溫度達到1800~1900K，鎳基高溫合金的初熔點大概也就在1300℃左右，也不到1600K。
  • 航空發動機難造全因為材料不行？這還真不是
    相信很多關心航空發動機發展的金粉們都聽過這樣一個斷言：航空發動機不好是因為材料不行。材料是問題之一，但難題是多方面的。一臺民用發動機需要無故障地、穩定地工作3萬小時，在工作過程中，一方面轉速極高（每分鐘約15000轉），需要承擔葉片本身重量1萬倍的離心力；另一方面，燃燒室溫度達到1800K以上，與之對照，目前熔點最高的鎳基高溫合金初熔點不到1600K。
  • 本科生科研指南（27）：突破熱障
    在飛行器早期的設計和實踐過程中，因為機體材料無法承受上述過程中所產生的巨大熱量，飛行器的速度一直遇到難以突破的瓶頸。為了方便表述，業內一般將上述因在大氣層中飛行器飛行過程中所產生的熱量所造成的飛行速度的限制簡稱為「熱障」。
  • 航發終於傳來好消息,渦扇葉片可耐受2000℃高溫,20多國要求出口
    尤其對我國而言，航空發動機一直是制約著我國空軍和航天事業向著更高目標發展的最大障礙。一些西方專家調侃稱，發動機難題或將會成為困擾我國的世紀難題。美國的航發技術成就至少領先我國半個世紀，因為他們從上個世紀開始就在航發領域有著很突出的成就了，如果按照時間來推算的話，領先我們半個世紀是完全有可能的。美國的航發之所以領先很多國家，是因為他們在熱障塗層領域展開深入研究，這是航發是否先進的重要環節。
  • 渦輪葉片技術取得新突破，30多國爭求出口
    我們的科學家在渦輪葉片技術取得了新的突破，可以承受2000℃的高溫。在知道這個消息後，30多個國家爭相要求我國出口。航空發動機在我國的科技領域發展中，航空發動機一直是我們的弱項，也是因此一直制約了我們大飛機的發展。
  • 納米塗層粉體材料在「2機、3D」產業中的應用
    然而航空發動機的心臟病問題就一直困擾著中國航空工業。專家預計，未來10年，我國空軍、海軍新增的軍用飛機在3000架左右，對應的發動機需求超過6000臺。整個軍用、民用航空發動機市場規模超過萬億元。因此我們國家對於2機裝備及其關鍵材料包括塗層材料有著更為緊迫的需求。2014年11月，國家自然科學基金委員會召開雙清論壇，主題為「航空發動機熱障塗層技術與應用中的挑戰性科學問題」。
  • 納米塗層粉體材料的研究與應用
    因此我們國家對於兩機裝備及其關鍵材料包括塗層材料有著更為緊迫的需求。   2014年11月，國家自然科學基金委員會召開雙清論壇，主題為「航空發動機熱障塗層技術與應用中的挑戰性科學問題」。專家們指出，熱障塗層技術是世界各國航空推進計劃的關鍵技術之一，有巨大的應用前景。
  • 鈦鋁合金葉片取得重大技術突破,將應用於國產長江1000A發動機
    航空發動機是「航空工業皇冠上的明珠」，也是一直以來中國航空工業的最主要短板之一，2020年，美國為了扼殺中國的科學技術進步和產業升級，發起了氣勢洶洶的「貿易戰」和「制裁戰」，其中一度傳出消息要通過掐斷進口LEAP-X渦扇發動機的供應，來扼殺國產C919大飛機項目。
  • 國產航發再次新突破，國產發動機可替代，但還需繼續打磨
    同時將與波音737 Max和空客A320 Neo競爭，中國航空的崛起，並撼動歐美在航空領域的地位。中國也希望能打破商業飛機被空客和波音壟斷的局面。正是因為國產C919大飛機在市場上已有一定競爭力，美國正考慮對中國出口LEAP-1C航空發動機，C919採用的正是這款進口的發動機。作為大飛機的「最核心」的零部件，正是國產C919的短板。
  • 國產航發新突破!CJ1000鈦合金葉片通過測試,C919打破美歐壟斷
    航發一直是國產大飛機的關鍵，如今我國在這一領域又取得了重大突破。中科院金屬研究所研製的鈦鋁合金髮動機葉片已通過考核，達到理想效果，接下來將裝配到專為C919國產大飛機研製的長江1000發動機上。發動機把壓縮空氣吸入燃燒室，壓縮後混合燃料點燃所產生的熱空氣溫度高、壓力大，這些熱空氣往後行進，帶動燃燒室後面的渦輪葉片轉動，渦輪葉片再帶動前面的壓縮機葉片轉動，此時渦輪葉片卻要耐受2000多度的高溫高壓，為了要保證航空發動機持久的穩定性，因此壓縮機葉片必須是耐高溫高壓材料。渦輪葉片只能利用鈦合金新型材料製造。
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