热障涂层(TBCs)广泛应用于先进航空发动机热端部件,可以有效提高发动机的工作效率和服役温度。随着发动机涡轮前进口温度不断提高以及工业生产和人类活动愈加频繁,TBCs面临严峻的CMAS腐蚀问题。目前CMAS腐蚀已经成为制约TBCs应用和发展的关键因素,如何提高TBCs的CMAS防护能力是TBCs领域的研究热点和难点。 北京工业大学贺定勇教授团队在《中国表面工程》2023年第5期发表综述论文《航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展》,对不同类型CMAS的室温和高温特性进行总结,深入分析CMAS作用下TBCs的失效机制,总结TBCs的CMAS防护方法,综述TBCs的CMAS腐蚀与防护研究进展,对未来的CMAS防护新方法进行展望。 引用格式 吴杨, 郭星晔, 贺定勇. 航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展[J]. 中国表面工程, 2023, 36(5): 1-13. WU Yang, GUO Xingye, HE Dingyong. Research Progress of CMAS Corrosion and Protection Method for Thermal Barrier Coatings in Aero-engines[J]. China Surface Engineering, 2023, 36(5): 1-13. 精彩看点 1. 论文创新点
本文着眼于先进航空发动机热障涂层(TBCs)高温CMAS腐蚀行为,概述了CMAS粒子类型及高温特性,阐明了TBCs在CMAS作用下的失效机制,总结了当前国内外先进的CMAS防护方法,对未来TBCs高温CMAS腐蚀与防护领域的发展趋势进行了展望。提出在TBCs表面构筑仿生微纳结构以提升其抗熔融CMAS附着和腐蚀性能的研究新思路,为我国航空发动机叶片表面长寿命高可靠性TBCs的研发奠定基础。
2. 重要结论 (1)由于地理位置和形成条件的不同,CMAS的化学成分存在明显差异,从而展现出不同的高温熔融性、流动性、活度和润湿铺展性等。明晰CMAS的本质特性是探究CMAS与TBCs相互作用的前提。 (2)CMAS与TBCs相互作用包括撞击、粘附、润湿铺展、渗透和化学反应等,腐蚀破坏主要集中于渗透和化学反应阶段。目前国内外学者开展了大量关于CMAS腐蚀的研究,对腐蚀机理的解释也比较透彻,然而美中不足的是腐蚀条件理想化、腐蚀介质单一化,对实际服役环境和环境沉积物的复杂性考虑不足。加深对TBCs的CMAS腐蚀行为和机理的理解是提出有效的CMAS防护方法的基础。 (3)随着近年来CMAS腐蚀问题愈加严重,传统的YSZ材料已无法满足当前的发展需求,通过在YSZ涂层表面沉积物理阻渗层以及对其进行稀土元素掺杂改性可以提升CMAS腐蚀抗力,然而会不可避免地牺牲涂层的热防护和热震抗力等性能。一些新型TBCs 材料如稀土锆酸盐和稀土磷酸盐等,尽管表现出优异的CMAS腐蚀抗力,但是相对较低的断裂韧性和弹性模量会在一定程度上影响涂层的热震和热循环性能,因此双层涂层成为当前的研究热点。此外,通过构筑微纳结构改善涂层的高温浸润性为提升涂层CMAS 腐蚀抗力提供了新思路,但该结构的高温稳定性有待进一步探究。
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