上硅所9种涂层助力天舟四号升空!航空航天到底需要多少种涂层?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  上硅所研制的9种涂层与材料成功应用于天舟四号货运飞船和长征七号遥五运载火箭。

中国粉体网讯  5月10日凌晨,天舟四号货运飞船在文昌发射场成功发射,在历经数小时飞行后顺利完成与空间站核心舱后向对接,这是我国空间站建设从关键技术验证阶段转入在轨建造阶段的首次发射任务,标志着中国空间站正式开启全面建造。

 


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上硅所9种涂层助力天舟四号升空


其中,中国科学院上海硅酸盐研究所研制的9种涂层与材料成功应用于天舟四号货运飞船和长征七号遥五运载火箭,助力空间站建设新征程。


在此次空间任务中,上海硅酸盐所研制的KS-Z无机白漆热控涂层和黑色阳极氧化热控涂层,解决了货运飞船大面积复杂部位的热控难题;高温隔热屏不锈钢灰色化学转换热控涂层成功实现了高温羽流的热防护;微弧氧化热控涂层高摩擦抗冷焊涂层确保太阳翼的顺利展开;双向拉伸聚酰亚胺薄膜及其复合热控材料实现全工艺流程国产化,作为绝缘材料应用于货运飞船的各分系统。前舱门舷窗玻璃作为货运飞船结构部件的一部分,既起到承压密封功能,又为航天员提供良好的光学视窗。


同时,针对长征七号遥五运载火箭液氧/煤油发动机涡轮端动密封的苛刻服役工况,研制的密封动环耐磨涂层,有效解决了发动机特种泵体启动过程中伴随高转速条件下动密封面的摩擦磨损问题。


至此,上海硅酸盐所研制的多种涂层与材料已成功应用于神舟系列载人飞船、天舟系列货运飞船和空间站。


航空航天到底需要多少种涂层?


表面涂层技术是航空航天制造技术的重要组成部分之一。采取一定的表面工程手段在飞行器零部件表面制备具有特定防护或功能涂层,可以使零部件表面具有隔热、减摩可磨耗封严、耐磨防腐蚀、抗高温氧化、吸波隐身等功能。目前,航空表面涂层技术发展最快也是最重要的涂层,包括热障涂层(TBCs)、超高温复合材料部件表面环境障涂层(EBC)、高温可磨耗封严涂层、WC-Co及氧化铝钛等耐磨涂层、吸波及红外隐身涂层等技术,涂层的应用大幅度提高了航空产品的性能、可靠性、经济性、服役寿命及战机的生存能力。




航天发动机是使用涂层最多的部位,一台发动机10000多个零部件中,1/3以上部件表面需要使用特种功能涂层,主要包括高温热障涂层、复合封严涂层、耐磨涂层等。


1、超高温热障涂层


航空发动机用高温涂层的发展经历了以下4个阶段:


①铝化物涂层(第一代涂层);


②改性铝化物涂层(第二代涂层);


③MCrAlY(M=Fe、Ni、Co或其组合)包覆涂层(第三代涂层);


④热障涂层(第四代涂层)。



热障涂层结构示意图与各层功能


热障涂层是采用耐高温和低导热的陶瓷材料以涂层的方式与金属相复合,从而降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术。热障涂层应用于航空发动机高压涡轮叶片可以显著降低涡轮叶片合金表面温度,大幅度延长叶片工作寿命,提高发动机推力和效率。


热障涂层包含四部分:


①基体一被保护的零件;


②金属粘结层;


③热生长氧化物层通常是一层致密的Al2O3层,以阻止氧气向粘结层和基体间扩散;


④陶瓷顶层一般为氧化钇部分稳定的氧化锆陶瓷。


2、复合材料表面环境障涂层


最近十几年,C/C、C/SiC、SiC/SiC陶瓷复合材料作为宇宙飞行器结构材料得到了人们的承认,并已成功地用于制造航天飞机的鼻锥、机翼前缘及其他高温部件,在航天飞机防热非常强烈不宜用陶瓷的部位使用C/C作防热瓦,C/C还用于制造飞机上的制动器,使飞机的重量显著减轻。C/C复合材料在高温条件下存在严重的氧化和烧蚀问题,C/SiC、SiC/SiC陶瓷复合材料部件在高温水蒸气环境下存在性能退化及易受CMAS熔盐侵蚀问题。环境障涂层(EBC)是为提高C/C、C/SiC、SiC/SiC高温复合材料部件环境稳定性的表面防护涂层。


3、封严涂层


封严涂层也被称为“易磨涂层”,作为发动机重要技术,可改善发动机气路密封性,提高发动机性能,降低油耗。可磨耗封严涂层应用于航空发动机风扇、压气机和涡轮等部位。




为了实现涂层的可磨耗性、抗冲蚀性、抗氧化、结合好、质软、多孔抗高温气流冲蚀等性能的综合要求,可磨耗封严涂层大多是由一定比例的金属相和具有自润滑作用的非金属复合材料组成。金属相为涂层的骨架,保证涂层的力学强度以及抗氧化、抗腐蚀性能。固体润滑剂在滑移表面形成一层低摩擦系数的转化膜,具有良好的减摩润滑作用。


4、抗氧化涂层


自20世纪50年代至今,各国针对各种难溶金属表面抗氧化涂层进行了大量研究,形成了铝化物、氧化物、硅化物、合金涂层、贵金属5大涂层体系。目前,1300℃以上使用的涂层主要为硅化物涂层与贵金属涂层。硅化物涂层因为硅高温氧化时在涂层表面形成致密的SiO2层,能阻挡氧向基体内扩散,避免氧直接与基体接触发生氧化。同时,形成的SiO2为玻璃相,在高温下具有很好的流动性,能够弥补涂层在氧化过程中因为热膨胀等因素产生的裂纹、孔洞等缺陷,即产生“自愈合”能力。由于硅化物涂层的这一特点,使得其在航空航天领域拥有广泛的运用。基于单一硅化物涂层上述因素对基体防护存在的局限性,研究人员研究了N、B、Al等元素改性的硅化物涂层,使涂层延长在高温下的使用寿命。


5、耐磨耐蚀涂层


耐磨涂层的材料种类也是多种多样的,轴类零件多采用WC-Co涂层,封严环以及缘板配合面采用CoMoCrSi涂层,篦齿采用Al2O3-SiO2涂层,而抗冲蚀多采用TiN涂层。工艺上,TiN涂层采用物理气相沉积(PVD)工艺,其他耐磨涂层多采用等离子或者超音速喷涂工艺。当然,对于CoMoCrSi涂层现阶段多采用堆焊工艺。



WC-Co涂层喷涂


6、“抗冷”的涂层——防冰涂层


没错,发动机既要耐热也需要抗冷,毕竟由于结冰而导致的航空事故也不在少数。当然,现有的设计水平已经可以从根本上解决一些发动机结冰的问题,但在一些特殊领域,防冰涂层依旧存在用武之地。


防冰涂层在原理上可分为两类,一种是Anti-icing Coating,另一种是De-icing Coating。如果强行解释的话,Anti-icing的功能是防止结冰(不让水汽在零件表面凝结),De-icing的作用则是使结冰层快速脱落,两者通过喷涂的方式实现,主要用在进气锥等发动前端部位,当然,更多的在飞机机身领域进行应用。


参考来源:

[1]李其连等.航空表面涂层技术的应用与发展

[2]何浩然等.航空涂层应用测级其制备技术

[3]袁建鹏等.涂层技术在航空航天材料领域的应用

[4]航空发动机到底用到了多少种涂层?.乘风航空

[5]上海硅酸盐所


(中国粉体网编辑整理/山川)

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作者:山川

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