在工業(yè)領(lǐng)域中，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。隨著一些產(chǎn)品的制造越來越精細(xì)，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(dāng)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。
表面工程是一個特殊的領(lǐng)域，它是材料和工藝相結(jié)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(shù)，它的使用最為普及，性價比也最高。如何使用熱噴涂技術(shù)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(dá)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(yīng)，又能實施熱噴涂工藝。為此，美國的科學(xué)家從上世紀(jì)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，并最終在納米材料噴涂領(lǐng)域先驅(qū)、國際知名學(xué)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(dá)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。目前，這種納米團聚技術(shù)已經(jīng)成熟，通過這種技術(shù)可以開發(fā)出更多的產(chǎn)品系列。
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?xì)廨啓C（2機）熱端部件應(yīng)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(biāo)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(shè)中處于一個重要的戰(zhàn)略地位，它需要給藍(lán)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(yù)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(yīng)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(guān)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(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。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(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(dá)到1000多小時，美國的產(chǎn)品能達(dá)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(shù)，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(dǎo)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(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(yīng)，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(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?xì)廨啓C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(shù)的，跨國公司掌握了燃?xì)廨啓C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。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(xué)納米表面工程研究室王鈾教授課題組瞄準(zhǔn)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?xì)鈾C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(dá)到60MPa以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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打印）被稱為第三次工業(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(yán)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(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(yuǎn)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，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?xì)廨啓C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）