您的位置:首页

详情

让纳米涂层赋能高端装备——哈尔滨工业大学王铀教授团队

2021-08-18

 

热喷涂技术是工业领域应用十分广泛的表面工程技术。早在1950年,热喷涂技术就开始用于制备航空发动机的热障涂层、封严涂层、抗高温烧蚀涂层、耐磨损涂层。据报道,美国航空飞机中需要采用热喷涂技术的零件约7 000件。
2000年,美国宣布一种革命性的新涂层——纳米结构的热喷涂陶瓷涂层获得实际应用。短短几年,这种涂层已被美国海军广泛应用于军舰、潜艇、扫雷艇和航空母舰的数百种零部件上。
作为该技术的发明人,王铀教授为了使自己发明的先进纳米陶瓷涂层技术在祖国推广应用,于2004年10月回国任哈尔滨工业大学教授。
 
1 高性能精细纳米陶瓷喷涂材料研究
回国后,王铀教授与中国船舶重工集团公司的两个研究所开展合作并取得成功。2006年11月底,中国船舶重工集团公司在西安主持召开了“高性能精细纳米陶瓷喷涂材料研究”项目验收暨技术鉴定会。项目验收专家认为该项目技术先进,成功解决了陶瓷涂层韧性低和抗热震能力差的两大难题,与处于世界领先水平的美国海军在用的热喷涂纳米结构陶瓷粉体材料相比,主要性能达到了同等水平。同时建议尽快转入工程化应用研究,形成生产规模,满足有关的需求。
 
2 热喷涂纳米结构超高温热障涂层研究
2020年10月20日,在中国稀土学会年会开幕式上举行的2019年度稀土科学技术获奖项目颁奖仪式上,王铀教授团队的“热喷涂纳米结构超高温热障涂层研究”项目荣获了稀土科学技术奖二等奖。
航空发动机和燃气轮机(两机)技术被誉为现代工业“皇冠上的明珠”,是一个国家科技、工业、经济和国防实力的重要标志。与世界强国相比,两机领域目前仍是我国的“软肋”。
研制高性能航空发动机和燃气轮机之所以难度大,是因为超过极限的参数要求最终都要落实到发展尖端的材料和制造工艺上。例如,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。能在高温、高压和高速条件下可靠稳定工作是现代涡轮发动机对涡轮性能提出的基本要求。其中,高性能水平的叶片集先进的材料、成型工艺、冷却技术、涂层于一体。
热喷涂热障涂层(TBC)广泛应用于航空发动机及地面重型燃机和舰船燃气轮机高温合金叶片上,使高温合金基体具有抗高温、抗氧化及耐磨损性能。现行的YSZ热障涂层因具有铁弹型相变、韧性好、热导率低、热膨胀系数高等优点被广泛用作航空发动机和燃气轮机等高温热端部件上的涂层材料,然而其使用温度不超过1 200℃,制约了涂层在更高温域范围内的使用。随着航空发动机和燃气轮机热端部件工作温度要求的不断提高,对高温合金部件上的热障涂层的使用温度要求也越来越高,因此,迫切需要开发具有更高使用温度、更高隔热、更高热循环寿命的新型热障涂层材料。含锆酸盐热障涂层材料由于具有热导率低、热膨胀系数较高、高温稳定性好、抗烧结能力强等优点,被认为是未来新型热障涂层的候选材料。
在“热喷涂纳米结构超高温热障涂层研究”项目的支持下,王铀团队聚焦等离子体喷涂热障涂层的隔热及高温失效性能以及新型含纳米结构锆酸盐热障涂层的制备及高温服役性能。通过纳米粉体造粒调控技术得到纯度高于95%以上的纳米结构t-YSZ喷涂喂料及涂层,相关成果不仅被美国NASA网站转载,更被国际科技结构工程进展选为关键科学文章。团队成功制备出锆酸镧(LZ)纳米结构粉体喂料(简称n-LZ)。研究结果表明,纳米结构的双陶瓷型涂层与相同厚度的传统微米结构单陶瓷层8YSZ热障涂层相比,隔热效果提高了70%以上,且纳米结构的双陶瓷型涂层具有更好的热震性能和抗高温氧化性能。这一成果的重要性和意义在于将有利于突破目前我国航空发动机和燃气轮机用热障涂层材料不能在1 200℃以上温度使用的限制,为我国发展高端发动机和燃气轮机提供技术支撑。
 
3 结语
“我的梦问天索力,我的梦向海图强;让我在美酒般的梦里醉沉,享受海天追梦的快乐时光。”正如王铀教授的诗一样,十几年来,王铀教授团队一直引领着国际纳米陶瓷涂层领域的研究,追逐着报国强军的梦想,致力于实现纳米涂层材料在国内的产业化和工程应用。为中国的飞机能够更自由地翱翔蓝天、舰船能够更自由地驰骋远洋,他们仍在不懈努力着。