[00119407]封严涂层高温高速可磨耗性评价技术与应用

封严涂层是先进航空发动机和燃气轮机中积极重要、种类和用量最大的涂层,其主要功能是在高温高速环境下控制转子与静子部件之间的气路密封间隙,并保护转子免受损伤。研究表明封严涂层可使发动机效率提高达1-5%,油耗降低1.5-3%,寿命延长超过2倍。国外先进航空发动机封严涂层寿命达到2500小时,燃气轮机封严涂层寿命达到2万小时;我国现有封严涂层寿命仅500小时,且长期存在易脱落掉块、磨损及粘附转子叶片问题。封严涂层服役工况特殊且复杂,我国该技术发展的瓶颈在于模拟工况下的服役性能评价技术。国外70年代起逐步建立了高温高速模拟工况（1200℃、450m/s）可磨耗性评价装备及方法,并用于指导涂层设计制备,但对该项技术严密封锁。 本项目在发动机材料研制保障项目（〔2012〕1252号）和863计划项目“高温合金高温防护涂层技术研究”课题（2012AA03A512）支持下,在突破高温高速耦合试验条件控制技术、高精度碰磨条件控制技术、磨屑收集技术等基础上,设计制造出包括八大子系统的高温高速可磨耗试验装置;在突破叶尖磨损/粘附归一化评价技术、磨痕/磨屑多因素评价技术等的基础上建立了高温高速可磨耗性评价方法,并基于可磨耗性评价开展了系统的涂层磨耗机理研究,成功用于高性能可磨耗涂层材料设计制备。 主要发明点：①创新研发出1200℃、450m/s高温高速环境下叶片-涂层精确对磨试验的可磨耗试验机：发明了多点喷射火焰加热+罩壳导流加热装置,实现了高温高速环境模拟;发明了U型挡板火焰整形+气流喷管温度微调装置,实现了精确控温;发明了基于碰磨零点动态判断的精确进给控制平台和高温高速磨屑收集装置。②创新建立了高温高速可磨耗性评价方法,包括叶尖磨损及粘附程度的归一化评价、磨屑的多尺度评价和涂层磨痕粗糙度评价。③基于高温高速可磨耗性评价探明封严涂层磨耗机制,发明了以单相α-CuAl为骨架铜铝/聚苯酯耐海洋腐蚀封严涂层、以单质Si为剥离介质的1350℃超高温封严涂层,优化了镍铬铝/膨润土、铝硅/氮化硼、多孔陶瓷和无机悬浮液可磨耗涂层材料设计制备并拓展应用。 项目各技术指标达到或超过了国际领先的METCO Innotech水平。成果申请国家发明专利17项（已授权9项）、实现新型专利3项（均授权）,发表学术论文22篇。成果突破国外技术封锁,解决了制约我国封严涂层模拟工况性能评价平台缺失这一“卡脖子”难题,提升了涂层服役机理研究水平与新型涂层材料创新能力,推动了我国涂层技术及材料服役性能评价技术的进步。 成果已在中国航发、哈汽集团等15家企业获广泛应用,为解决了封严涂层气路间隙结构的设计选材、性能提升和故障排除等方面难题提供了2048组高温高速可磨耗试验与评价服务,满足了12个重点型号航空发动机、2个重点型号燃气轮机研发及生产任务急需。近年实现直接经济效益3940万元,间接经济效益5.2亿元。