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在工業(yè)領域中，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。隨著一些產(chǎn)品的制造越來越精細，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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)明顯不同于宏觀世界中材料的性質(zhì)。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。
表面工程是一個特殊的領域，它是材料和工藝相結合的產(chǎn)業(yè)，只有材料，而涂覆工藝不好或者不經(jīng)濟，也是無法進行的。熱噴涂是一種比較成熟的技術，它的使用最為普及，性價比也最高。如何使用熱噴涂技術對納米材料進行噴涂，曾經(jīng)是人們考慮的一個難題。因為納米粒子是一個微小粒子，如果用熱噴涂操作，納米粒子瞬間就會被燒蝕或者吹掉，材料無法到達基體，更不可能形成有效的功能涂層。解決的辦法就是把納米粒子團聚起來，形成微米級的顆粒。這樣，既有納米材料的特殊效應，又能實施熱噴涂工藝。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，并最終在納米材料噴涂領域先驅(qū)、國際知名學者王鈾教授的手里獲得了成功。2000年，在美國納米材料公司產(chǎn)業(yè)化了第一個產(chǎn)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(xiàn)在這家公司的產(chǎn)品專門供應美國海軍應用。目前，這種納米團聚技術已經(jīng)成熟，通過這種技術可以開發(fā)出更多的產(chǎn)品系列。
納米涂層應用領域非常廣泛，尤其是在航空發(fā)動機及燃氣輪機（2機）熱端部件應用方面，有著更為重要的意義。因為2機裝備不僅是一個國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟的重要標志，被譽為鎮(zhèn)國之寶，現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，而且2機裝備在我們國家國防建設中處于一個重要的戰(zhàn)略地位，它需要給藍天裝上一個屬于中國自己的心臟，這是我國制造業(yè)的最高國家意志。
然而航空發(fā)動機的心臟病問題就一直困擾著中國航空工業(yè)。專家預計，未來10年，我國空軍、海軍新增的軍用飛機在3000架左右，對應的發(fā)動機需求超過6000臺。整個軍用、民用航空發(fā)動機市場規(guī)模超過萬億元。因此我們國家對于2機裝備及其關鍵材料包括涂層材料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(fā)動機熱障涂層技術與應用中的挑戰(zhàn)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(fā)動機強國已經(jīng)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(yè)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(jīng)被列入國家重大科技專項，成為國家戰(zhàn)略。2016年3月，全國人大審查通過了“十三五”規(guī)劃我國要上馬的100個大工程項目，2機排在第一的位置上。
對于高性能航空發(fā)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(fā)展尖端的材料和制造工藝上。專家指出，我國航空發(fā)動機研制的困難和性能差距主要體現(xiàn)在渦輪葉片以及渦輪盤材料和工藝兩個方面?，F(xiàn)代航空渦輪發(fā)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(wěn)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(fā)動機尤其是軍用發(fā)動機，熱障涂層的壽命大多數(shù)也就百十個小時，而俄羅斯的產(chǎn)品能達到1000多小時，美國的產(chǎn)品能達到3000多小時，差距明顯。同時，隨著發(fā)動機推重比的增加，燃燒室、渦輪機和壓氣機的溫度也在大幅提升，尤其是渦輪進口溫度幾乎以每年15℃的速度在增加，即使采用先進的定向凝固高溫合金和單晶高溫合金來做渦輪葉片，同時輔以先進的冷卻技術，也無法滿足隔熱、耐腐蝕、抗氧化的要求。因此，高溫防護涂層材料正在朝長壽命、低熱導率、熱輻射屏蔽性好等方向發(fā)展，它的研發(fā)與國產(chǎn)化就成為我國航發(fā)產(chǎn)業(yè)的一個重中之重。
熱障涂層（TBC）主要應用在飛機發(fā)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(fā)動機進口溫度和提高發(fā)動機推重比的作用。7±1wt%Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（即8YSZ）材料體系已經(jīng)使用了幾十年了，它的使用溫度在1200℃以下，隨著發(fā)動機，渦輪機性能的提高，尤其是軍用飛機發(fā)動機葉片使用溫度已經(jīng)超過1200℃，原來材料已不能適應，發(fā)展新型涂層材料成為軍工行業(yè)急需。國家工業(yè)和信息化部2014年發(fā)布了工業(yè)強基專項重點方向，在高端裝備基礎能力提升之工業(yè)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(nèi)企業(yè)還沒有掌握該核心技術的，跨國公司掌握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(xiàn)在初始投資，運維費用更是高的驚人。以上海漕涇天然氣發(fā)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(jīng)超過總投資的13%。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%。
哈爾濱工業(yè)大學納米表面工程研究室王鈾教授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(chuàng)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(diào)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(fā)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(fā)展高端發(fā)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(xiàn)在廣泛應用的傳統(tǒng)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(shù)相近、對基體性能影響較小、成分可調(diào)等優(yōu)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(fā)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(fā)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(fā)展，這種MCrAlY合金粉末有望直接用于打印發(fā)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(yè)大學納米表面工程研究室所研發(fā)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(yè)和信息化部2014年工業(yè)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(yè)革命，近年來發(fā)展迅猛。但是，3D打印在我國的發(fā)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指出，增材制造的前景是“創(chuàng)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(huán)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(chǎn)業(yè)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(huán)節(jié)。
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(jīng)成立北京春田納米科技有限公司，希望在不久的將來，將這些產(chǎn)品應用我國的航空發(fā)動機及燃氣輪機裝備上，為我們國家的國防事業(yè)貢獻出自己的一份力量。
（作者單位：北京春田納米科技有限公司）