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纳米涂层粉体材料在“2机、3D”产业中的应用

2017-04-01 15:20:26 浙江五源科技股份有限公司 阅读

在工业领域中,涂层粉体材料是一种表面工程应用材料,它涂覆在基体表面起到耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、抗老化,满足光、电、磁等特殊作用或功能。随着一些产品的制造越来越精细,服役条件越来越苛刻,对于表面涂层材料的要求也提出更高的要求。人们发现,当材料的特征尺度降低到纳米尺度时,会因为小尺寸效应、量子效应、界面或表面效应等出现明显不同于宏观世界中材料的性质。这也促使了科学家们的一种想法,就是把纳米技术与表面工程进行融合。

表面工程是一个特殊的领域,它是材料和工艺相结合的产业,只有材料,而涂覆工艺不好或者不经济,也是无法进行的。热喷涂是一种比较成熟的技术,它的使用最为普及,性价比也最高。如何使用热喷涂技术对纳米材料进行喷涂,曾经是人们考虑的一个难题。因为纳米粒子是一个微小粒子,如果用热喷涂操作,纳米粒子瞬间就会被烧蚀或者吹掉,材料无法到达基体,更不可能形成有效的功能涂层。解决的办法就是把纳米粒子团聚起来,形成微米级的颗粒。这样,既有纳米材料的特殊效应,又能实施热喷涂工艺。为此,美国的科学家从上世纪90年代开始进行研究。幸运的是,中国的科学家后来也加入到研究团队,并最终在纳米材料喷涂领域先驱、国际知名学者王铀教授的手里获得了成功。2000年,在美国纳米材料公司产业化了第一个产品——纳米铝钛粉涂层粉体材料,它的致密度达到95%~98%,结合强度同比提高2~3倍,耐磨性提高了3~8倍,现在这家公司的产品专门供应美国海军应用。目前,这种纳米团聚技术已经成熟,通过这种技术可以开发出更多的产品系列。

纳米涂层应用领域非常广泛,尤其是在航空发动机及燃气轮机(2机)热端部件应用方面,有着更为重要的意义。因为2机装备不仅是一个国家科技、工业、经济的重要标志,被誉为镇国之宝,现代工业“皇冠上的明珠”,而且2机装备在我们国家国防建设中处于一个重要的战略地位,它需要给蓝天装上一个属于中国自己的心脏,这是我国制造业的最高国家意志。

然而航空发动机的心脏病问题就一直困扰着中国航空工业。专家预计,未来10年,我国空军、海军新增的军用飞机在3000架左右,对应的发动机需求超过6000台。整个军用、民用航空发动机市场规模超过万亿元。因此我们国家对于2机装备及其关键材料包括涂层材料有着更为紧迫的需求。2014年11月,国家自然科学基金委员会召开双清论坛,主题为“航空发动机热障涂层技术与应用中的挑战性科学问题”。专家们指出,热障涂层技术是世界各国航空推进计划的关键技术之一,有巨大的应用前景。美国、英国、法国、俄罗斯等世界航空发动机强国已经将热障涂层技术广泛地应用在航空、航天领域,并进一步推广至电力、能源等工业领域,同时将此项技术列为核心绝密技术实行封锁。正因如此,2机已经被列入国家重大科技专项,成为国家战略。2016年3月,全国人大审查通过了“十三五”规划我国要上马的100个大工程项目,2机排在第一的位置上。

对于高性能航空发动机而言,其研制的最难之处在于材料和制造工艺,因为超过极限的性能要求最终都要落实到发展尖端的材料和制造工艺上。专家指出,我国航空发动机研制的困难和性能差距主要体现在涡轮叶片以及涡轮盘材料和工艺两个方面。现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求就是能在高温、高压和高速条件下可靠稳定工作。其中,高性能的叶片集先进材料、先进成型工艺、先进冷却技术、先进涂层于一体。

目前,我国航空发动机尤其是军用发动机,热障涂层的寿命大多数也就百十个小时,而俄罗斯的产品能达到1000多小时,美国的产品能达到3000多小时,差距明显。同时,随着发动机推重比的增加,燃烧室、涡轮机和压气机的温度也在大幅提升,尤其是涡轮进口温度几乎以每年15℃的速度在增加,即使采用先进的定向凝固高温合金和单晶高温合金来做涡轮叶片,同时辅以先进的冷却技术,也无法满足隔热、耐腐蚀、抗氧化的要求。因此,高温防护涂层材料正在朝长寿命、低热导率、热辐射屏蔽性好等方向发展,它的研发与国产化就成为我国航发产业的一个重中之重。

热障涂层(TBC)主要应用在飞机发动机、涡轮机和汽轮机叶片上,用以保护高温合金基体免受高温氧化和腐蚀,起到隔热、提高发动机进口温度和提高发动机推重比的作用。7±1wt%Y2O3稳定的ZrO2(即8YSZ)材料体系已经使用了几十年了,它的使用温度在1200℃以下,随着发动机,涡轮机性能的提高,尤其是军用飞机发动机叶片使用温度已经超过1200℃,原来材料已不能适应,发展新型涂层材料成为军工行业急需。国家工业和信息化部2014年发布了工业强基专项重点方向,在高端装备基础能力提升之工业零部件表面强化用高性能涂层材料方向中列出的7种涂层材料中就有2个涉及到热障涂层材料,一种是作为热障涂层结合层的多组元MCrAlY材料,要求其结合强度≥50MPa,1050℃水淬≥50次,1050℃(200h)完全抗氧化级;一种是作为热障涂层面层的复相陶瓷材料,要求其1200℃(100h)无相变,热导率<1.2W/m·K。简单地说,就是要求热障涂层具有50MPa以上的结合强度,能在1200℃以上工作温度下长期使用。

燃气轮机的情况也是如此。目前,国内企业还没有掌握该核心技术的,跨国公司掌握了燃气轮机供应及维修市场,垄断的结果是支付高昂的代价,不仅体现在初始投资,运维费用更是高的惊人。以上海漕泾天然气发电厂为例,自从建成后,仅2009年至2011年之间,检修维护花费了惊人的3.83亿元,已经超过总投资的13%。上海临港燃机的费用更是惊人,西门子长期维修,全年维修费用平均为1.2亿元。在这些维修项目中,热通道部件普遍存在涂层脱落、裂纹、烧损,这些费用占到整个维修费用的80%。

哈尔滨工业大学纳米表面工程研究室王铀教授课题组瞄准国家重大需求,在热障涂层及过渡合金层研究方面进行了刻苦攻关。他们创制了几种独特的成分控制精、致密度高、球形度好、粒度分布范围窄、流动性好的合金与陶瓷粉末材料,不仅可广泛用于制备2机中的关键核心零部件,而且还有望用于3D打印零部件。

他们通过特殊的纳米粉体造粒调控技术,研制出了纳米结构锆酸盐热障涂层粉体材料,突破了目前我国航空发动机热障涂层材料不能在温度1200℃以上使用的限制,为我国发展高端发动机提供了技术支撑。用这种的锆酸盐粉体材料制备的纳米结构双陶瓷型涂层的隔热效果比相同厚度的现在广泛应用的传统微米结构单陶瓷层8YSZ热障涂层提高了70%以上。此外,纳米结构的双陶瓷型涂层具有更好的热震性能。

多组元MCrAlY(M=Ni/Co/Ni+Co)系列高温合金粉末材料,由于具有抗高温氧化及热腐蚀性能好、塑性较好、与基体热膨胀系数相近、对基体性能影响较小、成分可调等优点,就被大量作为热障涂层的结合层,或被作为单独的涂层应用到航空发动机及燃气机上,也可直接用作抵抗800℃~1100℃条件下的高温氧化、硫化腐蚀和冲蚀等破坏的高温防护涂层。所以,MCrAlY合金粉末是广泛用于发动机、涡轮机叶片等热端部件的高温防护涂层的重要材料。由于3D打印技术的发展,这种MCrAlY合金粉末有望直接用于打印发动机、涡轮机叶片等热端部件,从而改变目前在高温合金基体再喷涂热障涂层的多重工艺,直接快速3D打印出基体与涂层材料功能一体化的叶片等零部件。

哈尔滨工业大学纳米表面工程研究室所研发的改性MCrAlY系列高温合金粉末可以使最终零部件的强度、硬度、抗热震能力、抗高温氧化硫化腐蚀能力等明显提高,而且,作为涂层使用时与基体间的结合强度达到60MPa以上,远远高于国家工业和信息化部2014年工业强基专项重点方向中要求的结合强度≥50MPa的要求。

增材制造(3D打印)被称为第三次工业革命,近年来发展迅猛。但是,3D打印在我国的发展面临着一个严重的瓶颈,就是耗材。中国工程院院士卢秉恒明确指出,增材制造的前景是“创材”。研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀、具有一定的环境适应性的新材料,就有可能成为中国在3D打印市场的突破口。况且,3D打印材料盈利能力在产业链中最强,3D打印材料的毛利率在60%~80%,远高于3D打印的其他环节。

综上所述,纳米涂层粉体材料在提升我国装备制造中有巨大的应用潜力,为此,课题团队已经成立北京春田纳米科技有限公司,希望在不久的将来,将这些产品应用我国的航空发动机及燃气轮机装备上,为我们国家的国防事业贡献出自己的一份力量。