热障陶瓷涂层与红外辐射涂层在气动热防护中的作用

王艳

（辽宁省轻工产品质量检测院，沈阳市110032）

关健词：热障陶瓷涂层；红外辐射陶瓷涂层，气动热防护；钛合金

1 前言

飞行器以高超声速在大气中飞行时，由于激波压缩、粘性摩擦等作用，造成壁面附近气温升高，高温空气不断向低温壁面传热，引起强烈的气动加热[2-3]。例如在1000 m以上高空，巡航导弹以2.5马赫速度飞行10 s后其外表蒙皮温度可达700 K。飞行器表面温度过高，对飞行器会产生不利影响，主要表现为蒙皮金属材料在高温环境下，金属材料的力学性能下降，同时在飞行状态下，由于气动摩擦热，还会使蒙皮内部器件性能失效，因此，对高超声速飞行器表面进行热防护是非常必要的。

高超声速飞行器表面热防护不同于普通热防护，高超声速飞行器由于飞行速度及飞行距离的极限设计要求，对飞行器的外观形状、大小和重量等都有极为苛刻的要求，总体原则要求飞行阻力小、重量尽可能轻，飞行器表面热防护不影响原设计飞行动力性能，同时增重要小。

氧化锆热障涂层（TBC）广泛应用在航空发动机和燃汽轮机叶片上，可降低气冷高温部件温度50～200℃[4]。本文采用由ZrO2热障涂层（TBC）与高红外辐射涂层组成的复合陶瓷涂层，复合陶瓷涂层厚度在0.3～0.5 mm，测试复合陶瓷涂层的隔热及综合降温效果，为钛合金蒙皮气动热防护提供指导依据。

2 实验部分

2.1 原材料

氧化镁（22～24%）稳定氧化锆、高红外辐射陶瓷涂料为辽宁省轻工科学院产；Y2O3-ZrO2纳米涂层材料为中国地质大学（武汉）产；镍铬铝钇底层（过渡层）材料为中科院金属研究所产。

2.2 复合陶瓷涂层制备

涂层结构：复合陶瓷涂层结构设计如图1所示。

图1 复合涂层结构示意图

金属试片采用120 mm×100 mm×3 mm高温合金，在高温合金试片一面的中心部位钎焊热电偶，然后在该面进行吹砂，采用METCO（7M）等离子喷涂设备先喷涂0.1 mm左右镍铬铝钇底层（过渡层），然后喷涂氧化锆陶瓷涂层，涂层总厚度控制在0.3 mm左右，然后冷喷涂0.1～0.2 mm红外陶瓷涂料。为做性能比较，氧化锆热障涂层采用两种材料，分别为氧化镁稳定氧化锆和Y2O3-ZrO2纳米TBCs材料。

2.3 测试方法及原理

专门设计制作在两端能够同时开门的箱式电炉，要求炉门嵌入炉膛的深度可调，以满足两端炉门放试片位置温度相同。两端炉门设计制作，要求在挡炉门位置方便试片插入。第一步，在两端炉门各放一片钎焊热电偶的空白试片，微调炉门嵌入炉膛深度，使两端炉门高温合金试片上热电偶的读数一致（代表两端炉门试片位置温度一致）。第二步，撤掉一端炉门上的空白试片，替换上制备好的复合陶瓷涂层试片，陶瓷涂层试片放置时，喷涂涂层一面背向炉膛。通过热电偶读出的两端炉门试片温度差即为复合涂层的降温效果。为使复合涂层降温性能检测接近实际工况，用2个电风扇选择低速挡，距离炉门试片各0.5 m处吹风。

2.4 测试设备

该设备为中科院沈阳计算技术研究所设计制作，检测过程中自动控温，计算机自动数据采集。

3 实验结果

3.1 氧化镁稳定氧化锆涂层隔热性能

对氧化镁稳定氧化锆涂层隔热性能进行测试，测试结果如图2所示，由图2可以看出：单纯氧化镁稳定氧化锆涂层在620℃，30 min，隔热温度可以达到81℃。

图2 氧化镁稳定氧化锆室温至620℃隔热性能

3.2 Y2O3-ZrO2纳米涂层隔热性能

对纳米氧化钇部分稳定氧化锆涂层隔热性能进行测试，测试结果如图3所示，由图3可以看出：Y2O3-ZrO2纳米涂层在620℃，30 min，隔热温度为74℃。

图3 Y2O3-ZrO2纳米涂层室温至620℃隔热性能

3.3 氧化锆热障涂层与红外涂层组成复合陶瓷涂层隔热性能

图4 复合陶瓷涂层室温至620℃隔热性能

对氧化镁稳定氧化锆涂层与红外涂层组成复合陶瓷涂层综合降温性能进行测试，降温效果如图4所示，由图4可以看出复合陶瓷涂层在640℃，30 min，降温效果可以达到300℃以上。

4 分析讨论

4.1 气动热效应分析

在高超声速飞行器结构设计中，对飞行器的增重具有严格限制，为保证飞行器蒙皮材料具有高强度、低重量，钛合金是蒙皮材料的首选，钛合金使用温度一般在550℃以下。高超声速飞行器飞行时，气动效应引起的蒙皮温度变化可采用如下经验公式进行计算[5]：

其中：TS目标蒙皮驻点温度；T0为周围大气的温度；r为0.82，恢复系数；R为1.4，空气的定压热容量和定容热容量之比，M为马赫数。

进一步可得：TS=T0（1+0.164 M2）

根据以上公式，当飞行器飞行速度为4马赫时，蒙皮表面温度在800℃左右，可见当飞行器飞行速度在4马赫时，如果使用钛合金作为蒙皮材料，热防护涂层降温效果至少要达到250℃。

4.2 涂层材料要求

高超声速飞行器涂层材料要求可以概括为两方面：其一是轻质和低导热；其二是涂层厚度及表面状态不影响设计飞行性能。采用热障涂层增重、增厚小，隔热效果好，是一种优先选择。表1是辽宁省轻工科学研究院生产氧化镁稳定氧化锆（锆酸镁）和氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层材料性能。

氧化镁稳定氧化锆与氧化钇部分稳定氧化锆涂层热导率性能比较见图5。

由表1、图5可以看出：

（1）在1000℃以下锆酸镁涂层热导率低于钇稳定氧化锆；

（2）锆酸镁涂层体积密度低于氧化钇部分稳定氧化锆。

图5 锆酸镁稳定氧化锆与氧化钇部分稳定氧化锆涂层热导率性能比较

通过以上比较，选用锆酸镁热障涂层材料满足1000℃以下轻质、高隔热的性能设计要求。

氧化锆热障涂层采用等离子喷涂方式喷涂在蒙皮外表，等离子喷涂参数的优化及对涂层厚度、气孔率等进行有效控制，可以使涂层隔热效果得到提高，由于影响因素多，实践性强，在此不进行详细阐述。

4.3 高红外辐射涂层的散热性能

热辐射，也称为红外辐射，是物体传热的一种重要方式。在对流和热传导受到限制条件下，它是最有效的一种加热和散热方式。因此，提高辐射体表面辐射系数，有利于辐射传热的强化，在工业应用、环保节能、航空航天方面，提高热辐射率都有非常重要意义[6]。例如，航天器的回收舱从天空穿越大气层返回地面时，由于大气摩擦发热，其外表温度高达1000℃以上，如果没有防热措施，航天器就会在空中烧毁。解决措施之一就是在航天器蒙皮表面上应用高温高发射率红外涂层，作为辐射防热结构，加强辐射，达到散热目的[7]。美国双子星座载人座舱的辐射热防护结构中，其蒙皮是用0.41 mm厚合金制成的波纹板，外表面涂有高发射率蓝黑陶瓷漆[8]。

国内在红外辐射材料研究方面做了大量工作，并研制出较多高发射率陶瓷产品及涂料，如欧阳德刚等[9]对红外辐射涂料试验研究，采用盘式电炉加热（形式如图6）发现，无红外辐射涂料的金属表面温度为300℃时，有红外辐射涂料的金属表面温度只有265℃，降温效果达到35℃。

表1 氧化镁稳定氧化锆和氧化钇部分稳定氧化锆热障涂层材料性能对比

图6 电炉加热时有、无红外辐射涂料金属表面温度测试示意图

可见，采用高红外辐射涂层作为最外层，在热通量一定条件下，可以有效降低蒙皮表面温度。

4.4 ZrO2热障涂层隔热性能

热障涂层（Thermal Barrier Coatings，简称 TBCs）具有良好的隔热效果[10]。为有效地降低金属基体材料表面的工作温度，国内外通常采用热喷涂ZrO2热障涂层技术。ZrO2热障涂层具有良好的高温隔热性能，已成熟地应用于燃气轮机的一级喷嘴、火焰筒、过渡段以及涡喷发动机导向叶片等部件，有效地降低金属部件基体材料表面工作温度和热负荷，达到提高发动机效率和使用寿命的目的。

4.5 氧化锆涂层与红外涂层复合方式

热障涂层与高红外辐射材料的复合主要有两种方式，一种是均采用等离子喷涂方法，即喷涂完氧化锆涂层后，再采用等离子喷涂方式，在其表面喷涂红外辐射涂层；另一种方式是先采用等离子喷涂氧化锆涂层，将红外涂层材料制备成粉末，通过无机粘结剂制成红外辐射涂料，再将红外辐射涂料刷涂于氧化锆涂层外表。在此选用第二种复合方法，优点主要体现以下几个方面：

（1）工艺简单，容易施工；

（2）涂料厚度容易控制在较薄范围，减少涂层的增重效应；

（3）涂料固化后，表面具有较高的光洁度，可减少气动加热效应；

（4）红外涂料可以封闭热障涂层的显气孔，进一步提高热障涂层的隔热效果。

通过检测结果也可以看出，正是由于热障涂层与红外涂层组合方式的优化，使复合涂层的隔热温度远高于两种材料各自降温之和，可见由氧化镁稳定氧化锆、高红外辐射材料组成的复合涂层，对蒙皮金属起到散热与隔热相结合作用，红外涂层在起到散热作用的同时，还可以封闭氧化锆涂层表面气孔，使复合涂层对蒙皮热防护性能更好。实验中在640℃动态环境下，降温效果可以达到300℃以上。

5 结论

（1）锆酸镁热障涂层在620℃，30 min，隔热温度可以达到81℃；

（2）Y2O3-ZrO2纳米涂层在 620℃，30 min，隔热温度为74℃，隔热性能低于锆酸镁涂层；

（3）锆酸镁与高红外辐射涂层组成的复合涂层在640℃，30 min，隔热性能可以达到300℃以上；

（4）由锆酸镁、高红外辐射材料组成的复合涂层，对蒙皮金属起到散热与隔热相结合作用，使复合涂层热防护效果可以达到最大化。

（5）由氧化镁稳定氧化锆、高红外辐射材料组成的复合涂层，能够满足速度4马赫飞行器钛合金蒙皮的热防护要求，使其表面温度由800℃降到550℃以下。