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        先進納米涂層粉體材料是裝備制造的基礎

        發布時間:[2017-04-19]

        導讀: 涂層粉體材料是一種表面工程應用材料,它涂覆在基體表面起到耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗老化,滿足光、電、磁等特殊作用或功能。工業上,產品生產過程中,必然伴隨各種物質間的接觸,因此表面工程幾乎涉及所有的工業部門。

        涂層粉體材料是一種表面工程應用材料,它涂覆在基體表面起到耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化、抗老化,滿足光、電、磁等特殊作用或功能。工業上,產品生產過程中,必然伴隨各種物質間的接觸,因此表面工程幾乎涉及所有的工業部門。隨著一些產品制造越來越精細,服役條件越來越苛刻,對于表面涂層材料的要求也提出更高的要求。人們發現,當材料的特征尺度降低到納米尺度時,會因為小尺寸效應、量子效應、界面或表面效應等出現明顯不同于宏觀世界中材料的性質。這也促使了科學家們的一種想法,就是把納米技術與表面工程進行融合。

        為此,美國的科學家從上世紀90年代開始進行研究。幸運的是,中國的科學家后來也加入到研究團隊,并最終在哈爾濱工業大學納米表面工程研究室教授王鈾的手里獲得了成功。2000年,在美國納米材料公司產業化了第一個產品——納米鋁鈦粉涂層粉體材料,它的致密度達到95%~98%,結合強度同比提高2~3倍,耐磨性提高了3~8倍,現在這家公司的產品專門供應美國海軍應用。

        納米涂層應用領域非常廣泛,尤其是在航空發動機及燃氣輪機(2機)方面,因為“2機”裝備是一個國家科技、工業、經濟和國防實力重要標志,被譽為現代工業“皇冠上的明珠”。

        然而航空發動機的“心臟病”問題就一直困擾著中國航空工業,因此我們國家對于“2機”有著更為緊迫的需求。2014年11月,國家自然科學基金委員會召開雙清論壇,主題為“航空發動機熱障涂層技術與應用中的挑戰性科學問題”。專家們指出,熱障涂層技術是世界各國航空推進計劃的關鍵技術之一,有巨大的應用前景。美國、英國、法國、俄羅斯等世界航空發動機強國已經將熱障涂層技術廣泛地應用在航空、航天領域,并進一步推廣至電力、能源等工業領域,同時將此項技術列為核心絕密技術實行封鎖。正因如此,“2機”已經被列入國家重大科技專項,成為國家戰略。今年3月,通過的“十三五”規劃我國要上馬的100個大工程項目中,“2機”排在第一的位置上。

        對于高性能航空發動機而言,其研制的最難之處在于材料和制造工藝,因為超過極限的性能要求最終都要落實到發展尖端的材料和制造工藝上。專家指出,我國航空發動機研制的困難和性能差距主要體現在渦輪葉片以及渦輪盤材料和工藝兩個方面?,F代航空渦輪發動機對渦輪性能提出的最基本要求就是能在高溫、高壓和高速條件下可靠穩定工作。其中,高性能的葉片集先進材料、先進成型工藝、先進冷卻技術、先進涂層于一體。目前,我國航空發動機尤其是軍用發動機,熱障涂層的壽命大多數也就百十個小時,而俄羅斯的產品能達到1000多小時,美國的產品能達到3000多小時,造成了我國航空發動機維修量巨大。因此,國產化關鍵材料成為重中之重。

        熱障涂層(TBC)主要應用在飛機發動機、渦輪機和汽輪機葉片上,用以保護高溫合金基體免受高溫氧化和腐蝕,起到隔熱、提高發動機進口溫度和提高發動機推重比作用的一種陶瓷涂層材料。7±1wt%Y2O3穩定的ZrO2(即8YSZ)材料體系已經使用了幾十年了,已不能適應更高溫度下工作的要求。國家工業和信息化部2014年發布了工業強基專項重點方向,在高端裝備基礎能力提升之工業零部件表面強化用高性能涂層材料方向中列出的7種涂層材料中就有2個涉及到熱障涂層材料,一種是作為熱障涂層結合層的多組元MCrAlY材料,要求其結合強度≥50MPa,1050℃水淬≥50 次,1050℃(200h)完全抗氧化級;一種是作為熱障涂層面層的復相陶瓷材料,要求其1200℃(100h)無相變,熱導率<1.2W/m·K。簡單地說,就是要求熱障涂層具有50MPa以上的結合強度,能在1200℃以上工作溫度下長期使用。

        燃氣輪機的情況也是如此。目前,國內企業沒有掌握核心技術,跨國公司把持了燃氣輪機供應及維修市場,壟斷的結果是支付高昂的代價,不僅體現在初始投資,運維費用更是高的驚人,令人談虎色變。以上海漕涇天然氣發電廠為例,自從建成后,僅2009年至2011年之間,檢修維護花費了驚人的3.83億元。已經超過總投資的13%。華能金陵電廠與GE簽訂的維修合同,據悉,僅2008年的年度費用就達到3600萬元。上海臨港燃機的費用更是驚人,西門子長期維修,全年維修費用平均為1.2億元。在這些維修項目中,熱通道部件普遍存在涂層脫落、裂紋、燒損,這些費用占到整個維修費用的80%。

        燃氣輪機是能源轉化效率比較高的裝備,它的聯合循環發電效率接近60%,而燃煤發電的超超臨界的效率也就40%多一點,核電發電效率35%左右,所以,燃氣輪輪機還有很大的應用空間,尤其是在艦船、電力、分布式能源等方面,急需國產化的燃機裝備及關鍵材料。

        今年4月份國家發改委、國家能源局下發了《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》,并同時發布了《能源技術革命重點創新行動路線圖》。其中關于燃氣輪機路線如下:戰略方向:涉及先進材料與制造。重點在高性能復合材料、高溫耐熱合金材料涂層、大尺寸高溫合金(單晶、定向結晶)鑄造;創新行動:涉及高溫合金渦輪葉片制造。特種加工和涂層技術研究,掌握高溫合金渦輪葉片制造核心關鍵技術,形成自主研發能力。

        6月20日,國家發改委、工信部、能源局聯合印發《中國制造2025—能源裝備實施方案》,《方案》提出今后的天然氣分布式能源示范項目需要使用國產燃氣輪機,同時也著重對燃氣輪機自主化提出了要求,比如:50-70MW等級燃氣輪機:開展先進TBC 涂層及粘結層的新材料和新工藝研究,提高TBC涂層的抗高溫能力進一步降低熱導率,提高粘結層的抗氧化性能;F級300MW級重型燃氣輪機:突破高溫合金材料、熱障涂層材料、熱端部件和控制保護系統制造技術,研發燃氣發電智能控制和決策系統;G/H級重型燃氣輪機:突破單晶高溫材料、熱障涂層技術,全面掌握大流量高壓比多級軸流壓氣機、分級預混干式低氮燃燒室,單晶葉片及高效氣冷的透平技術。因此,先進的涂層技術是裝備必備的材料基礎。

        哈爾濱工業大學納米表面工程研究室王鈾課題組瞄準國家重大需求,在熱障涂層及過渡合金層研究方面進行了刻苦攻關。他們創制了幾種獨特的成分控制精、致密度高、球形度好、粒度分布范圍窄、流動性好的合金與陶瓷粉末材料,不僅可以廣泛用于制備“2機”中的關鍵核心零部件,而且還有望用于3D打印零部件。

        他們通過特殊的納米粉體造粒調控技術,研制出了納米結構鋯酸鹽熱障涂層粉體材料,突破了目前我國航空發動機熱障涂層材料不能在溫度1200℃以上使用的限制,為我國發展高端發動機提供了技術支撐。用這種的鋯酸鹽粉體材料制備的納米結構雙陶瓷型涂層的隔熱效果比相同厚度的現在廣泛應用的傳統微米結構單陶瓷層8YSZ熱障涂層提高了70%以上。此外,納米結構的雙陶瓷型涂層具有更好的熱震性能。

        多組元MCrAlY(M=Ni/Co/Ni+Co)系列高溫合金粉末材料,由于具有抗高溫氧化及熱腐蝕性能好、塑性較好、與基體熱膨脹系數相近、對基體性能影響較小、成分可調等優點,就被大量作為熱障涂層的結合層,或被作為單獨的涂層應用到航空發動機及燃氣機上,也可直接用作抵抗800℃~1100℃條件下的高溫氧化、硫化腐蝕和沖蝕等破壞的高溫防護涂層。所以,MCrAlY合金粉末是廣泛用于發動機、渦輪機葉片等熱端部件的高溫防護涂層的重要材料。由于3D打印技術的發展,這種MCrAlY合金粉末有望直接用于打印發動機、渦輪機葉片等熱端部件,從而改變目前在高溫合金基體再噴涂熱障涂層的多重工藝,直接快速3D打印出基體與涂層材料功能一體化的葉片等零部件。

        哈爾濱工業大學納米表面工程研究室所研發的改性MCrAlY系列高溫合金粉末可以使最終零部件的強度、硬度、抗熱震能力、抗高溫氧化硫化腐蝕能力等明顯提高,而且,作為涂層使用時與基體間的結合強度達到60MPa以上,遠遠高于國家工業和信息化部2014年工業強基專項重點方向中要求的結合強度≥50MPa的要求。

        增材制造(3D打?。┍环Q為第三次工業革命,近年來發展迅猛。隨著高性能合金增材制造領域的突破性進展,以該技術制造新型發動機和燃氣輪機部件正在成為可能。GE公司研發的飛機發動機噴嘴,把20個零件打印成了一個零件,材料成本大幅度減少,還節省燃油15%。GE子公司Avio公司在3D打印噴氣發動機輕質金屬渦輪葉片工藝方面取得突破。美國航空航天局(NASA)工程人員通過利用增材制造技術制造首個全尺寸銅合金火箭發動機零件以節約成本,NASA空間技術任務部負責人稱這是航空航天領域3D打印技術應用的新里程碑。我國航天發動機3D也駛入快車道。 2015年2月,工信部等三部委聯合發布了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015~2016年)》,首次從政府層面對3D打印技術予以高度評價,提出了推進意見。

        但是,3D打印在我國的發展面臨著一個嚴重的瓶頸,就是耗材。中國工程院院士盧秉恒明確地指出,增材制造的前景是“創材”。研制出超高強度、超高耐溫、超高韌性、超高抗蝕、具有一定的環境適應性的新材料,就有可能成為中國在3D打印市場的突破口。況且,3D打印材料盈利能力在產業鏈中最強,3D打印材料的毛利率在60%~80%,遠高于3D打印的其他環節。

        綜上所述,納米涂層粉體材料在提升我國裝備制造中有巨大的應用潛力,為此,課題團隊已經成立北京春田納米科技有限公司。目前,該公司正在制定詳細的產業推廣計劃及方案,希望在不久的將來,將這些產品應用我國的航空發動機及燃氣輪機裝備上,為我們國家的國防事業作出自己的一份貢獻。

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