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先进纳米涂层粉体材料是装备制造的基础

发布时间:2016-11-28

来源: 中国有色金属报    

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。工业上,产品生产过程中,必然伴随各种物质间的接触,因此表面工程几乎涉及所有的工业部门。随着一些产品制造越来越精细,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。
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,并最终在哈尔滨工业大学纳米表面工程研究室教授王铀的手里获得了成功。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。
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)方面,因为“2机”装备是一个国家科技、工业、经济和国防实力重要标志,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。
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,因此我们国家对于“2机”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。今年3月,通过的“十三五”规划我国要上马的100个大工程项目中,“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,造成了我国航空发动机维修量巨大。因此,国产化关键材料成为重中之重。
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作用的一种陶瓷涂层材料。7±1wt%Y2O3稳定的ZrO2(即8YSZ)材料体系已经使用了几十年了,已不能适应更高温度下工作的要求。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,国内企业没有掌握核心技术,跨国公司把持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,令人谈虎色变。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%。华能金陵电厂与GE签订的维修合同,据悉,仅2008年的年度费用就达到3600万元。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%。
燃气轮机是能源转化效率比较高的装备,它的联合循环发电效率接近60%,而燃煤发电的超超临界的效率也就40%多一点,核电发电效率35%左右,所以,燃气轮轮机还有很大的应用空间,尤其是在舰船、电力、分布式能源等方面,急需国产化的燃机装备及关键材料。
今年4月份国家发改委、国家能源局下发了《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》,并同时发布了《能源技术革命重点创新行动路线图》。其中关于燃气轮机路线如下:战略方向:涉及先进材料与制造。重点在高性能复合材料、高温耐热合金材料涂层、大尺寸高温合金(单晶、定向结晶)铸造;创新行动:涉及高温合金涡轮叶片制造。特种加工和涂层技术研究,掌握高温合金涡轮叶片制造核心关键技术,形成自主研发能力。
6月20日,国家发改委、工信部、能源局联合印发《中国制造2025—能源装备实施方案》,《方案》提出今后的天然气分布式能源示范项目需要使用国产燃气轮机,同时也着重对燃气轮机自主化提出了要求,比如:50-70MW等级燃气轮机:开展先进TBC 涂层及粘结层的新材料和新工艺研究,提高TBC涂层的抗高温能力进一步降低热导率,提高粘结层的抗氧化性能;F级300MW级重型燃气轮机:突破高温合金材料、热障涂层材料、热端部件和控制保护系统制造技术,研发燃气发电智能控制和决策系统;G/H级重型燃气轮机:突破单晶高温材料、热障涂层技术,全面掌握大流量高压比多级轴流压气机、分级预混干式低氮燃烧室,单晶叶片及高效气冷的透平技术。因此,先进的涂层技术是装备必备的材料基础。
哈尔滨工业大学纳米表面工程研究室王铀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,不仅可以广泛用于制备“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。随着高性能合金增材制造领域的突破性进展,以该技术制造新型发动机和燃气轮机部件正在成为可能。GE公司研发的飞机发动机喷嘴,把20个零件打印成了一个零件,材料成本大幅度减少,还节省燃油15%。GE子公司Avio公司在3D打印喷气发动机轻质金属涡轮叶片工艺方面取得突破。美国航空航天局(NASA)工程人员通过利用增材制造技术制造首个全尺寸铜合金火箭发动机零件以节约成本,NASA空间技术任务部负责人称这是航空航天领域3D打印技术应用的新里程碑。我国航天发动机3D也驶入快车道。 2015年2月,工信部等三部委联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划(2015~2016年)》,首次从政府层面对3D打印技术予以高度评价,提出了推进意见。
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地指出,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。目前,该公司正在制定详细的产业推广计划及方案,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作出自己的一份贡献。
(作者单位:北京春田纳米科技有限公司)

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