热障涂层的作用(航空科普小知识：你知道航空发动机如何顶住“烤”验吗？)

Posted 2023-06-02

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热障涂层的作用(航空科普小知识：你知道航空发动机如何顶住“烤”验吗？)

这个夏天，除了传统的“火炉”城市，我国各个地区都出现了大范围的高温闷热天气。高温肆虐之下，人们直呼：热、热、热，只想与空调“长相厮守”。然而，这点热对于咱们的航空发动机根本就不值一提。要知道发动机工作时，燃烧室内的最高温度可是高达2000℃左右。那么，在如此难以形容的高温下，航空发动机是如何顶住“烤”验的呢？空调肯定是没有啦，不过秘诀倒是有几招。

第一招：修炼“金刚不坏之身”

众所周知，航空发动机属于热机，其原理就是将热能转化成机械能，能承受的温度越高，产生的推力就越大，发动机的性能也就越高。据研究，燃气涡轮发动机的涡轮进口温度每提高 100 ℃，发动机的推重比就能够提高10%左右。

面对不断攀升的温度需求，修炼一副“金刚不坏之身”才是发动机安身立命的根本。在过去几十年里，航空专家们一直在着力研制新型耐高温材料，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合金，发动机材料的使用温度得到很大提升。

以涡轮叶片为例，20世纪50年代，高温合金凭借较优异的高温使用性能全面代替高温不锈钢，使涡轮叶片使用温度有飞跃性的提高，达到了800 ℃水平。20世纪60年代，由于真空冶炼水平的提高和加工工艺的发展，铸造高温合金逐渐开始成为涡轮叶片的主选材料。而后，定向凝固高温合金通过控制结晶生长速度、使晶粒按主承力方向择优生长，改善了合金的强度和塑性，提高了合金的热疲劳性能，并且基本消除了垂直于主应力轴的横向晶界，进一步减少了铸造疏松、合金偏析和晶界碳化物等缺陷，使用温度达到了 1000 ℃水平。

20世纪80年代，单晶合金涡轮叶片定向凝固技术的进一步发展，其耐温能力、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性较定向凝固合金有了显著提高，很多先进航空发动机都采用了单晶合金用作涡轮叶片。如今，单晶合金已发展到第五代，合金的承温能力不断提高。

第二招：挖空心思降“心火”

尽管高温材料研究取得了很大成就，但还是无法满足航空发动机性能发展对涡轮前温度的要求。为了化解这个矛盾，发动机高温部件开始引入冷却系统，从设计、结构、工艺等方面挖空心思自我降温。如高压涡轮，由于涡轮进口压力高，在级气动负荷高、离心力负荷高、温度高的情况下，通常会采用将压气机压缩后的几百摄氏度的“低”温空气引入内腔复杂冷却结构的空心叶片。

在航空发动机领域，先后发展出了对流冷却、冲击式冷却、气膜冷却、发散冷却等方式。其中，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空心涡轮叶片表面上通过小孔排气的冷却方式，是现代涡轮高温部件冷却的主要方法；发散冷却又称发汗冷却，冷却空气从叶片内腔通过叶片壁面上无数微孔渗出，就像出汗一样，是一种新的涡轮冷却技术。而今，由对流、冲击、气膜三种冷却方式相结合的复合冷却，被广泛应用于先进的航空发动机上。

但不论是哪种冷却方式，它在改善涡轮叶片工作环境的同时，也使得涡轮叶片结构、工艺变得更加复杂。那些迷宫一样的冷却通道，在一定程度上就是降“心火”的关键。如果涡轮叶片的冷却效果能够多提高100℃，涡轮前温度就能多提高100℃，从而使发动机的性能和推动比进一步提高。

第三招：套上“消防防火服”

面对上千摄氏度的高温，赤膊上阵的“金刚不坏之身”也烤得让人心疼。为了能让发动机保持持久的战斗力，置备一身“消防防火服”是非常有必要的。如在发动机最核心的涡轮盘、导向叶片和工作叶片的表面涂覆一层高温防护涂层。

目前，航空高温防护涂层的发展已经历了四代，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，对于基体材料起到隔热作用，可以降低基体温度，从而使涡轮叶片能在更高的温度下运行。

高性能的热障涂层，是英美发动机使用寿命远超其他国家同类发动机的“不传之秘”。有了高性能热障涂层，以往寿命200到600小时的发动机，工作寿命可以延长2-3倍，工作温度也能提高上百摄氏度。

在“没有最高只有更高”的温度追求下，航空发动机绝对称得上是直面高温的“勇士”。而这种无所畏惧的勇气正是来源于所有热爱航空发动机事业的人们，是他们用智慧和汗水、用生命和时间给予了发动机强壮的身体和可靠的保护。