涂層粉體材料是一種表面工程應(yīng)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。工業(yè)上，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，必然伴隨各種物質(zhì)間的接觸，因此表面工程幾乎涉及所有的工業(yè)部門。隨著一些產(chǎn)品制造越來越精細，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(yīng)、量子效應(yīng)、界面或表面效應(yīng)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(xué)家們的一種想法，就是把納米技術(shù)與表面工程進行融合。
為此，美國的科學(xué)家從上世紀90年代開始進行研究。幸運的是，中國的科學(xué)家后來也加入到研究團隊，并最終在哈爾濱工業(yè)大學(xué)納米表面工程研究室教授王鈾的手里獲得了成功。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(jié)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(yīng)美國海軍應(yīng)用。
納米涂層應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，尤其是在航空發(fā)動機及燃氣輪機（2機）方面，因為“2機”裝備是一個國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟和國防實力重要標志，被譽為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”。
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),因此我們國家對于“2機”有著更為緊迫的需求。2014年11月，國家自然科學(xué)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(shù)與應(yīng)用中的挑戰(zhàn)性科學(xué)問題”。專家們指出，熱障涂層技術(shù)是世界各國航空推進計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，有巨大的應(yīng)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(shù)廣泛地應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域，并進一步推廣至電力、能源等工業(yè)領(lǐng)域，同時將此項技術(shù)列為核心絕密技術(shù)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。今年3月，通過的“十三五”規(guī)劃我國要上馬的100個大工程項目中，“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。現(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(shù)、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，造成了我國航空發(fā)動機維修量巨大。因此，國產(chǎn)化關(guān)鍵材料成為重中之重。
熱障涂層（TBC）主要應(yīng)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)動機推重比作用的一種陶瓷涂層材料。7±1wt%Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（即8YSZ）材料體系已經(jīng)使用了幾十年了，已不能適應(yīng)更高溫度下工作的要求。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(chǔ)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(jié)合層的多組元MCrAlY材料，要求其結(jié)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(fù)相陶瓷材料，要求其1200℃（100h）無相變，熱導(dǎo)率<1.2W/m·K。簡單地說，就是要求熱障涂層具有50MPa以上的結(jié)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)沒有掌握核心技術(shù)，跨國公司把持了燃氣輪機供應(yīng)及維修市場，壟斷的結(jié)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，令人談虎色變。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%。華能金陵電廠與GE簽訂的維修合同，據(jù)悉，僅2008年的年度費用就達到3600萬元。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%。
燃氣輪機是能源轉(zhuǎn)化效率比較高的裝備，它的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率接近60%，而燃煤發(fā)電的超超臨界的效率也就40%多一點，核電發(fā)電效率35%左右，所以，燃氣輪輪機還有很大的應(yīng)用空間，尤其是在艦船、電力、分布式能源等方面，急需國產(chǎn)化的燃機裝備及關(guān)鍵材料。
今年4月份國家發(fā)改委、國家能源局下發(fā)了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，并同時發(fā)布了《能源技術(shù)革命重點創(chuàng)新行動路線圖》。其中關(guān)于燃氣輪機路線如下：戰(zhàn)略方向：涉及先進材料與制造。重點在高性能復(fù)合材料、高溫耐熱合金材料涂層、大尺寸高溫合金（單晶、定向結(jié)晶）鑄造；創(chuàng)新行動：涉及高溫合金渦輪葉片制造。特種加工和涂層技術(shù)研究，掌握高溫合金渦輪葉片制造核心關(guān)鍵技術(shù)，形成自主研發(fā)能力。
6月20日，國家發(fā)改委、工信部、能源局聯(lián)合印發(fā)《中國制造2025—能源裝備實施方案》，《方案》提出今后的天然氣分布式能源示范項目需要使用國產(chǎn)燃氣輪機，同時也著重對燃氣輪機自主化提出了要求，比如：50-70MW等級燃氣輪機：開展先進TBC 涂層及粘結(jié)層的新材料和新工藝研究，提高TBC涂層的抗高溫能力進一步降低熱導(dǎo)率，提高粘結(jié)層的抗氧化性能；Ｆ級300MW級重型燃氣輪機：突破高溫合金材料、熱障涂層材料、熱端部件和控制保護系統(tǒng)制造技術(shù)，研發(fā)燃氣發(fā)電智能控制和決策系統(tǒng)；G/H級重型燃氣輪機：突破單晶高溫材料、熱障涂層技術(shù)，全面掌握大流量高壓比多級軸流壓氣機、分級預(yù)混干式低氮燃燒室，單晶葉片及高效氣冷的透平技術(shù)。因此，先進的涂層技術(shù)是裝備必備的材料基礎(chǔ)。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)納米表面工程研究室王鈾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(guān)。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，不僅可以廣泛用于制備“2機”中的關(guān)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(shù)，研制出了納米結(jié)構(gòu)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(shù)支撐。用這種的鋯酸鹽粉體材料制備的納米結(jié)構(gòu)雙陶瓷型涂層的隔熱效果比相同厚度的現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)微米結(jié)構(gòu)單陶瓷層8YSZ熱障涂層提高了70%以上。此外，納米結(jié)構(gòu)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(jié)合層，或被作為單獨的涂層應(yīng)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(shù)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(xué)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(jié)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(jié)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。隨著高性能合金增材制造領(lǐng)域的突破性進展，以該技術(shù)制造新型發(fā)動機和燃氣輪機部件正在成為可能。GE公司研發(fā)的飛機發(fā)動機噴嘴，把20個零件打印成了一個零件，材料成本大幅度減少，還節(jié)省燃油15%。GE子公司Avio公司在3D打印噴氣發(fā)動機輕質(zhì)金屬渦輪葉片工藝方面取得突破。美國航空航天局（NASA）工程人員通過利用增材制造技術(shù)制造首個全尺寸銅合金火箭發(fā)動機零件以節(jié)約成本，NASA空間技術(shù)任務(wù)部負責(zé)人稱這是航空航天領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用的新里程碑。我國航天發(fā)動機3D也駛?cè)肟燔嚨馈?2015年2月，工信部等三部委聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015~2016年)》，首次從政府層面對3D打印技術(shù)予以高度評價，提出了推進意見。
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地指出，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(yīng)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(yīng)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。目前，該公司正在制定詳細的產(chǎn)業(yè)推廣計劃及方案，希望在不久的將來，將這些產(chǎn)品應(yīng)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)作出自己的一份貢獻。
（作者單位：北京春田納米科技有限公司）