導(dǎo)讀：為啥有人說燃?xì)廨啓C(jī)是世界上最難造的機(jī)器？難題之一：它工作時燃燒室的溫度可達(dá)1600度！速度堪比龍卷風(fēng)的高溫氣體還會在內(nèi)部不斷沖擊。如何讓燃機(jī)抵抗這樣的考驗？西門子研發(fā)出隔熱層，而它的主要材料竟然是喜聞樂見的——陶！瓷！不信？有視頻有真相，看西門子發(fā)明家大叔為您解讀。

熱障涂層簡介

熱障涂層（Thermal Barrier Coatings，TBCs）通常由金屬粘結(jié)底層和陶瓷面層組成，粘結(jié)底層通常采用MCrAlY（M為Ni、Co或Ni+Co）合金，主要擔(dān)負(fù)著過渡熱不匹配、抗氧化、抗腐蝕的多重功效，而陶瓷面層通常采用Y2O3穩(wěn)定的ZrO2，主要起隔熱作用，因其具有良好的抗高溫氧化性、抗沖刷性和隔熱性等特點(diǎn)，已成為目前國內(nèi)外地面重型燃?xì)廨啓C(jī)最先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層之一。

燃機(jī)上應(yīng)用

熱障涂層具有良好的隔熱效果和抗高溫氧化性能，應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)可以顯著提高高溫部件的使用溫度，延長部件壽命,節(jié)省燃料，提高效率。特別是燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，如火焰筒、過渡段、噴嘴、渦輪葉片等核心部件，通常采用鎳基高溫合金材料，渦輪葉片等高溫部件經(jīng)歷鍛造、鑄造、定向結(jié)晶和單晶等工藝后，使用空氣冷卻系統(tǒng)和冷卻通道的改進(jìn)也只能獲得有限的冷卻效果，再提高其高溫性能的空間已十分有限，因此必須對其采用高溫隔熱（如涂敷熱障涂層）防護(hù)措施。

而通過在高溫部件上制備一層300～500μm熱障涂層可以有效降低金屬基體的工作溫度,顯著提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率、減少燃油消耗、延長使用壽命,因此得到了廣泛的應(yīng)用。

而燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件是決定燃?xì)廨啓C(jī)壽命的關(guān)鍵部件,它們不僅工作溫度高,而且還承受燃?xì)廨啓C(jī)在起動和停機(jī)時因溫度劇烈變化引起的熱沖擊,工作條件非常惡劣。火焰筒是燃燒室的重要組成部分, 燃料在火焰筒中與空氣混合燃燒,火焰區(qū)的溫度高達(dá)1800℃～2000℃,因此,對TBC隔熱性能要求最高, 同時還要求有很好的抗高溫氧化能力和抗熱震能力。

過渡段也在高溫燃?xì)庀鹿ぷ?，過渡段周圍必須有強(qiáng)大的冷卻空氣流，這樣就會造成燃?xì)馀c過渡段金屬之間有數(shù)百攝氏度的溫差，所以用在過渡段的TBC不但隔熱、抗氧化性能要好,還要求有更好的抗熱震性能。透平葉片在高溫氧化環(huán)境下工作，同時還承受較高的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。靜葉片是透平中溫度最高的部件，內(nèi)部的冷卻氣流非常強(qiáng)烈，造成了靜葉片的極度冷熱不均勻，也成為承受熱沖擊最厲害的部件。

同時，隨著運(yùn)行時間的延長，燃?xì)庵袛y帶的高溫腐蝕物會逐漸沉積在靜葉片的表面，因此靜葉片上的TBC要求有很好的抗高溫腐蝕性能。動葉片在高溫下要承受很大的離心力，是透平中工作條件最惡劣的部件，用在動葉片上的TBC不但要有很好的隔熱、抗高溫氧化、抗熱震性能，而且要有很好的抗蠕變、熱疲勞、機(jī)械疲勞性能。

熱障涂層發(fā)展歷史

1963年普惠公司第一次把TBC用在JT8D型燃?xì)廨啓C(jī)的火焰筒中, 如今GE公司和普惠公司已廣泛將TBC用于許多燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件, 如火焰筒、葉片、過渡段等。

從上世紀(jì)40年代末50年代初發(fā)展至今，熱障涂層制備工藝不斷改進(jìn)。當(dāng)今，制備熱障涂層最成熟的方法是大氣等離子噴涂，同時還包括超音速火焰噴涂、電子束物理氣相沉積、低壓等離子噴涂、高頻脈沖爆炸噴涂等。

目前使用的熱障涂層一般是由頂部陶瓷層(Top Coating)和底部的金屬粘結(jié)層(Bond Coating)組成。陶瓷層主要用來隔熱, 必須滿足熱導(dǎo)率低, 抗熱震性能好的指標(biāo)，所以要求陶瓷層材料具有熔點(diǎn)高、高溫下相穩(wěn)定、熱導(dǎo)率低、熱反射率高等物理化學(xué)特性，同時要考慮其熱膨脹系數(shù)與基體材料匹配。金屬粘結(jié)層則用于防止金屬基體的高溫氧化, 并緩解陶瓷層和金屬基體的熱膨脹不匹配。另外, 由于粘結(jié)層長期高溫使用的氧化, 粘結(jié)層和陶瓷層之間會生成一層氧化物, 即熱生長氧化物(Thermally Grown Oxide，簡稱TGO)。

國外先進(jìn)燃機(jī)熱端部件粘結(jié)底層多采用超音速火焰噴涂技術(shù)和低壓等離子噴涂技術(shù)，陶瓷面層多采用大氣等離子噴涂技術(shù)。先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片上熱障涂層的制備多為電子束物理氣相沉積技術(shù)或者超音速火焰噴涂和等離子噴涂復(fù)合工藝，其中西門子公司生產(chǎn)的透平葉片便是選擇后者復(fù)合工藝，而國內(nèi)熱障涂層粘結(jié)底層和陶瓷面層大多均采用等離子噴涂技術(shù)。