热障涂层在国外航空发动机上的应用

热障涂层可以明显降低基材温度、硬度高、化学稳定性好，具有防止高温腐蚀、延长热端部件使用寿命提高发动机功率和减少燃油消耗等优点，TBCs的出现为大幅度改进航空发动机的性能开辟了新途径。自20世纪70年代以来，美国英国、法国、日本等发达工业化国家都竞相发展TBCs涂层,并大量应用在叶片、燃烧室、隔热屏、喷嘴、火焰筒、尾喷管等航空发动机热端部件上。

1976年,在美国NASA刘易斯研究中心研制的MgO部分稳定的ZrO2热障涂层在J75发动机上首次通过验证，随后成功用于该发动机的燃烧室，后来被称为第一代航空用热障涂层。20 世纪80年代初，P&W公司成功地开发了第二代等离子喷涂热障涂层-PWA264。 其陶瓷面层是大气等离子喷涂的质量分数为7%的氧化钇部分稳定的氧化锆( YSZ),金属粘结层为更耐氧化的低压等离子喷涂(LPPS)的NiCoCrAIY。PWA264涂层在JT9D发动机涡轮叶片上成功应用之后,又陆续在PW2000、PW4000和V2500 等发动机的涡轮叶片上得到试验验证和应用。截至1992年，该涂层用于JT9D、PW2000、PW4000和V2500发动机涡轮叶片上，上述发动机已经累计飞行了400万小时以上。20世纪80年代末，为了适应更高的温度要求，P&W公司又成功地开发了第三代涡轮叶片EB -PVD热障涂层-PWA266。 该涂层采用EB - PVD制备7YSZ陶瓷面层、低压等离子喷涂( LPPS)的NiCoCrAIY金属粘结层，该涂层消除了叶片蠕变疲劳、断裂和叶型表面抗氧化陶瓷的剥落，使其寿命比未喷涂该涂层叶片的寿命延长了3倍。PWA266以其极好的耐久性、抗热剥落性能和耐热性，在JT9D和PW2000发动机上得到成功验证之后，于1989 年首先应用到PW2000发动机涡轮叶片上，之后又应用至JT9D -7R4、V2500、F100 - PW -229和F119等发动机涡轮叶片上。应用该涂层后，F119发动机高压涡轮工作叶片工作温度比未喷涂该涂层叶片的可提高150K左右。除此之外，PW公司在JT3D和JT38D发动机的风扇叶片、压气机叶片、燃烧室、涡轮叶片等处均用了热障涂层。

同时，美国GEAE公司分别于20世纪80年代末和90年代初成功开发了APS和EB - PVD热障涂层,并在CF6 -50发动机的第2级涡轮导向叶片上，采用了LPPS制备的MCrAIY粘结层和APS陶瓷层的热障涂层；在CF6 -80发动机的第1级工作叶片上采用PtAI粘结层和EB - PVD陶瓷层的热障涂层，第2级涡轮导向叶片采用了APS制备的MCrAIY粘结层和APS陶瓷层的热障涂层；在CFM56 -7发动机的第1级涡轮导向叶片上，采用了铝粘结层和EB-PVD陶瓷层的热障涂层；在F414发动机上，采用了EB- PVD陶瓷层的热障涂层。

此外，英国罗尔斯-罗依斯公司也逐渐将TBCs大量应用到军用和民用发动机上。Spey发动机有200多个零件使用了热障涂层，尤其是在第1级~3级涡轮叶片叶冠上均使用了热障涂层，从而改善了叶片可靠性，提高了发动机效率。为提高发动机燃烧室可靠性，防止发生热变形进而产生裂纹，罗罗公司还在RB211发动机燃烧室衬套表面采用了APS氧化锆涂层，从而极大地提高了燃烧室的使用寿命。EJ200 发动机高压涡轮工作叶片通过采用双层等离子沉积的热障涂层(面层为YSZ，粘结层为NiCoCrAIY)，延长了叶片寿命，且提高了耐温能力。

法国SNECMA公司也已经将EB - PVD热障涂层应用到M88 -2发动机AMI单晶合金涡轮叶片上，使涡轮的冷却空气流量减少，寿命延长，效率提高。

据报道，目前美国几乎所有的军用和商用航空发动机都采用了TBCs，每年约有300t氧化锆材料用在TBCs上，在未来10年中TBCs将达到12%的年增长率，其中在发动机部件中的年增长率将达到25%，应用开发前景十分广阔。