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 熱障涂層對于航空發動機的重要性體現在哪些方面？國內熱障涂層的研究及應用處于怎樣的水平？

馮晶：航空發動機的重要技術是兩盤一片和熱障涂層，熱障涂層是四大關鍵核心技術之一。航空發動機的效率取決于溫度，溫度越高效率也越高，但提高發動機的使用溫度，要考慮材料是否耐受，目前發動機燃氣的燃燒溫度可以達到1500~1600℃，到達材料表面的溫度大概是1100℃左右。未來對于航空發動機的要求將越來越高，其使用溫度可能達到1800℃、2000℃，甚至更高。那面臨的一個問題，就是如何保證材料在這么高的溫度下還能正常運轉。目前發動機最常用的材料是鎳基超高溫合金，其服役的最高溫度是1100℃左右，而且這個指標事實上還很難完成，那就需要使用熱障涂層讓其達到使用要求。

發動機葉片主要通過空冷的方法實現降溫，但我們還希望它能承受更多熱量，那就需要在鎳基高溫合金表面做一層陶瓷熱障涂層。

陶瓷的好處在于：它的熔點和強度比基體材料要更高，熱導率也更低，而低的熱導率會使燃氣和基體之間產生一個溫度梯度，這個溫度梯度值越大，材料所能承受的溫度極限就越高。

傳統的熱障涂層材料一般使用的是氧化鋯基陶瓷，在不同的使用部位和厚度的情況下，可以使材料承受的溫度降低50~150℃。氧化鋯基陶瓷的綜合性能非常好，廣泛應用于民航客機和軍用飛機，它對于航空飛行器的發展非常重要，是航空發動機上重要的熱障涂層材料。

氧化鋯陶瓷軸承

我們國內熱障涂層的研究和應用與國際先進水平相比還有較大的差距。以美國為例，在20 世紀50~60 年代，美國國防部和NASA 等就牽頭開始了熱障涂層的研究，在60~70 年代基本固定了材料的種類和生產工藝，在70~80 年代開始推廣應用。而我國開始熱障涂層的應用主要是在2000 年以后，那時我們從俄羅斯、烏克蘭等引入了一些相關的設備，較早研究熱障涂層的機構主要是中國航空工業下屬的航空企業和研究院所，以及包括北京航空航天大學在內的一些高校，經過10 多年的努力，進步非常大，現在我們已經可以把氧化鋯基的陶瓷材料涂敷在葉片、渦輪及其他一些關鍵部件上。

但是，涂層是一種非常復雜的工程，雖然已經開始應用，但是我們的經驗不足，所以導致我國航空發動機的質量和壽命還比不上國際一流的發動機產品，我們的技術還不夠成熟。美國的GE、英國的勞斯萊斯、日本三菱和德國的西門子是國際上涂層研究領域的領頭羊，他們在30 年前就基本完成了材料的研制，又在這30 年間積累了大量的經驗。而目前我國一些涂層材料剛剛研制成功并投入應用，要達到成熟的水平還需要時間和產品應用的經驗積累，并不斷完善。

航空制造網： 與其他涂層材料相比，您研究的新型高溫鐵彈相變增韌陶瓷材料具有哪些優勢？目前在航空航天等領域的應用情況如何？

馮晶：優勢是非常明顯的，剛才提到過目前國際上應用最廣泛的還是氧化鋯基材料，也有一小部分公司開始逐步應用稀土鋯酸鹽材料，但是鋯酸鹽有一個非常嚴重的問題，它的斷裂韌性很差，不能長時間工作，壽命比較短。相比而言，氧化鋯基陶瓷是非常優良的高溫材料。

那我們為什么還要研發新的陶瓷材料，并認為氧化鋯基材料最終一定會被取代呢？這是因為氧化鋯基材料在1100~1200℃之間會發生一個相轉變，材料一旦發生相變，那它的晶體結構和性質會全部發生變化，在1200℃以下使用時，氧化鋯確實有比較良好的性質，但是隨著溫度超過1200℃并繼續升高，氧化鋯基材料的壽命會呈指數級下降。未來航空發動機的工作溫度可能達到2000℃，那我們就一定要制作1400~1500℃的熱障涂層，在這種條件下氧化鋯基材料是根本無法再使用的。

我們研制的新型稀土鉭酸鹽高溫鐵彈相變陶瓷材料的最高使用溫度可以達到1600℃，甚至1800℃，是非常穩定的一種陶瓷，與氧化鋯基材料相比有三大優勢：

第一是熱導率低，它比氧化鋯基材料的熱導率低一半，也就是說氧化鋯降低100℃時，它能降低200℃，會產生一個較大的溫度梯度，對于保護發動機葉片和其他部件效果明顯。

第二是鐵彈相變增韌，氧化鋯基材料在高溫下的增韌是由于它的鐵彈性，這是其優于其他陶瓷材料的一大特點，其他陶瓷材料在高溫下會變脆就是因為不具備這種鐵彈性。我們沿著這個思路來尋找新的材料，根據氧化鋯的晶體結構找到了稀土鉭酸鹽陶瓷，經過研究發現，稀土鉭酸鹽也具有這種鐵彈相變，會在高溫下形成鐵彈疇，在加載應力和釋放應力時它會像橡皮筋一樣不會馬上變形，從而起到應力緩沖作用，大大提高了材料的高溫斷裂韌性。換句話說，就是在高溫下它不會那么容易變脆，大幅提高了材料壽命。

第三是兩者的低熱導率機制不同。氧化鋯材料的氧空位缺陷會引起聲子散射，從而降低了聲子熱傳輸的過程，這是它低熱導機制的本質。而稀土鉭酸鹽的低熱導機制是鉭原子本身質量比較大引起的非諧效應。氧空位形成的低熱導材料是氧離子的導體，氧化鋯材料因此可以作為燃料電池的電極使用，它在高溫下是氧離子的良導體，氧離子可以自由出入氧化鋯材料，這樣就可以非常容易地氧化涂層下部的合金層，導致合金層表面快速生長一層氧化物。因為這層氧化物的熱膨脹系數和熱障涂層及合金層都不匹配，特別容易失效，所以發動機葉片涂層的失效不是熱障涂層本身被損壞，而是這層氧化物使涂層在熱循環過程中應力太大，造成脫落。稀土鉭酸鹽材料是氧離子的絕緣體，在合金層生長熱氧化物的速度比氧化鋯材料低1000 倍以上。

稀土原材料

另外，稀土鉭酸鹽材料比氧化鋯材料質地柔軟，可以承受更多的應力，所以高溫下的熱應力比氧化鋯低很多，這使它的壽命在熱循環中遠遠高于氧化鋯，同時，在工況容許的情況下，同等應力狀態稀土鉭酸鹽還可以制備更厚的熱障涂層，這樣就能達到更大的溫度梯度。

新型稀土鉭酸鹽陶瓷熱障涂層材料目前世界范圍內只有一個研究團隊，就是我的團隊。在我們之前，國內沒有任何一個團隊關注稀土鉭酸鹽，從材料發現到基本性質確定到最后應用，整個材料體系是由我的團隊建立的，我們在這個領域已經發了幾十篇研究論文，也申請了幾十個發明專利。在新型稀土鉭酸鹽陶瓷涂層領域，我們國家擁有自主知識產權，目前國際上沒有該材料應用的任何報道，國內也是剛剛開始應用，主要是在航天設備上的高溫隔熱及一些裝備上的試用，在航空領域，我們也在積極與北京航空航天大學、航空工業下屬的研究院所展開聯合攻關，如果把這種優秀的材料成功地應用到航空航天領域，我認為我們國家的熱障涂層技術在國際上會產生跨越式、領跑式的發展。

航空制造網：除了上面提到的陶瓷涂層材料，您的團隊在高溫材料領域還取得了哪些成果？

馮晶：高溫熱障涂層領域，之前全球范圍內都是做到2 層、3 層，通過我們的改良，可以做到8 層或是10 層，我們的多級梯度功能熱障涂層材料不僅具有高效隔熱的功能，同時還具有防腐蝕、抗磨損、長壽命的作用。其他研究還包括高溫陶瓷材料的焊接、高溫合金材料的開發等。

我們比較有特色的一項研究是稀貴金屬材料在高溫領域的應用，針對發動機部件上高溫陶瓷涂層與鎳基超高溫合金的粘結效果不好的問題，兩者之間會加一種粘結層合金，國際上常用的粘結層合金是NiCoCrAlY，但是它超過1100℃后氧化速度非常快，難以在更高的溫度下使用。我們在這種材料中增加了Pt，或者是單獨增加了一個貴金屬粘結層，這樣就創造了更高溫度下的粘結層使用環境，這種材料目前已經開始應用。這項研究在高溫材料領域是非常重要的，也是粘結層材料在世界范圍內的一個新突破。

熱障涂層材料與3D 打印技術的相互結合，比如在制作粘結層合金過程中，3D 打印技術就非常適用，在今年啟動了云南省稀貴金屬材料基因工程，其中一項重要工作就是熱障涂層的粘結層部分由稀貴金屬材料來制作，主要的方式就是通過3D 打印/ 激光成形的方法在基體材料表面制備一層稀貴金屬材料，這樣就能實現耐高溫、抗氧化的性能。云南稀貴金屬材料基因工程的一大功能就是服務于我國航空航天領域，研發新型合金材料。

現在的合金成分越來越復雜，甚至有了8 元、10 元系的合金，人已經無法完成工作量如此巨大的試驗工作，但是通過材料基因工程，我們就會很容易發現和研制出新的粘結層合金材料，可以整體實現熱障涂層對于航空發動機技術進步的推動作用。

航空制造網：云南省稀貴金屬材料基因工程重大科技項目于2018 年3 月啟動，您擔任計算與數據庫首席科學家，工作的主要內容是什么？請談一下這個項目對于材料研究的重要意義？

馮晶：我主要負責的是稀貴金屬材料的計算以及數據庫的建設，我們主要針對的是航空發動機超高溫合金的探索和開發。通過材料基因工程的方法，我們可以探尋之前人類根本無法解決的8 元系、10 元系合金。通過高通量計算和機器學習，以及利用數據庫的“元素”，我相信在未來，第一可以得到稀貴金屬材料高溫粘結層合金，第二我們有可能會在超高溫合金領域取得更大的突破，這樣超高溫合金就有望實現在1500 ～2000℃高溫環境下的直接應用。

稀貴金屬材料基因工程的重要性還體現在，一方面大大減輕我們材料科學家的工作量，借助這個高性能計算工具能夠實現成百上千甚至上百萬的材料組分和合金材料的設計，以及性能預測；另一方面，通過這個項目不僅可以大大加快材料的研發速度，而且在這個過程中會大量節約研發成本，我們當前的目標是達到雙減一半，即研發時間縮短一半，研發成本降低一半，使人力物力都降一半。從項目實施的過程來看，我覺得未來減少的可能遠不止這個數，因為它不僅可以設計稀貴金屬材料，還可以設計其他高溫材料。