2025年5月,中國機械工程學會表面工程分會發布“2025中國表面科技十大進展”,廣東省科學院新材料研究所劉敏教授團隊主導的“先進燃氣渦輪發動機等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)高溫防護涂層創新研究和突破應用”項目成功入選。
航空發動機和燃氣輪機(統稱燃氣渦輪發動機)是涉及國民經濟和國防安全的戰略性高端裝備,被譽為制造工業“皇冠上的明珠”。航空發動機和燃氣輪機的關重熱端部件服役面臨高溫、沖刷、熱沖擊、氧化和腐蝕等惡劣工況,需要高溫防護涂層提升其服役溫度、延長其服役壽命。隨著航空發動機和燃氣輪機性能提升,傳統工藝制備的熱障涂層已逐漸無法滿足要求,需要發展新一代高溫防護涂層制備技術。等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)技術突破傳統工藝局限,創新融合熱噴涂的高效沉積與物理氣相沉積的精細調控能力,滿足新一代燃氣渦輪發動機熱端部件高溫防護涂層制備要求。
廣東省科學院新材料研究所熱噴涂團隊2005年率先在國內倡導PS-PVD技術,此后歷經近20年,先后承擔國家973、重點研發計劃、省重點領域研發計劃等國家級和省部級項目超15項,建成了目前世界上體積最大、功能最齊全的PS-PVD氣液固多相沉積平臺;發展了PS-PVD氣液固多相沉積理論,填補了國內PS-PVD基礎理論的空白;建立了較為成熟的PS-PVD技術體系,涂層性能達到國際領先;打破國外壟斷,推動國產裝備從技術驗證邁入批產應用;國際上率先實現PS-PVD熱障涂層商業化應用,引領國內PS-PVD高溫防護涂層技術發展,推動了國際PS-PVD技術進步。突破了三大核心技術,具體如下。
一、理論創新與技能突破
團隊創新提出PS-PVD均勻與非均勻形核理論,率先建立“基元+序構”PS-PVD氣液固生長模型,攻克高應變容限羽-柱狀熱障涂層制備技術,實現高性能涂層結構精準調控;首創鍍鋁表面改性技術,所研發熱障涂層抗熱沖擊、結合強度及抗CMAS腐蝕等性能達國際領先水平。
二、裝備與材料自主化
團隊與Metco公司聯合設計了國際上首臺大型臥式工程型PS-PVD裝備。通過創新結構設計大幅提升了技術實用性與涂層生產效率,該裝備結構現已成為全球主流設計范式。團隊承擔了國內首個PS-PVD裝備自主可控的工信部重大專項,完成了新一代工程型設備設計與制造。開發了具有自主知識產權的PS-PVD高溫防護涂層粉末體系,涉及3大類超過10余種粉末。
三、工程化應用與標準引領
本團隊發展了PS-PVD復雜型面非視線均勻沉積技術,突破燃氣渦輪發動機熱端部件高均勻涂層制備瓶頸,相關熱障涂層已應用于多型航空發動機及地面燃機,累計交付15大類、超千件涂層部件;獲授權發明專利35項,牽頭制定行業標準9項,為國家核心裝備自主化提供技術保障。
二十年的發展,廣東省科學院新材料研究所熱噴涂團隊在不斷發展壯大,同時推動PS-PVD技術應用領域向航天、航空、新能源等高端裝備領域擴展,為國家經濟和國家安全提供更強支撐
供稿:熱噴涂研究中心