中國粉體網(wǎng)訊 5月10日凌晨，天舟四號貨運飛船在文昌發(fā)射場成功發(fā)射，在歷經(jīng)數(shù)小時飛行后順利完成與空間站核心艙后向?qū)�，這是我國空間站建設(shè)從關(guān)鍵技術(shù)驗證階段轉(zhuǎn)入在軌建造階段的首次發(fā)射任務(wù)，標(biāo)志著中國空間站正式開啟全面建造。
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上硅所9種涂層助力天舟四號升空
其中，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研制的9種涂層與材料成功應(yīng)用于天舟四號貨運飛船和長征七號遙五運載火箭，助力空間站建設(shè)新征程。
在此次空間任務(wù)中，上海硅酸鹽所研制的KS-Z無機白漆熱控涂層和黑色陽極氧化熱控涂層，解決了貨運飛船大面積復(fù)雜部位的熱控難題；高溫隔熱屏和不銹鋼灰色化學(xué)轉(zhuǎn)換熱控涂層成功實現(xiàn)了高溫羽流的熱防護；微弧氧化熱控涂層和高摩擦抗冷焊涂層確保太陽翼的順利展開；雙向拉伸聚酰亞胺薄膜及其復(fù)合熱控材料實現(xiàn)全工藝流程國產(chǎn)化，作為絕緣材料應(yīng)用于貨運飛船的各分系統(tǒng)。前艙門舷窗玻璃作為貨運飛船結(jié)構(gòu)部件的一部分，既起到承壓密封功能，又為航天員提供良好的光學(xué)視窗。
同時，針對長征七號遙五運載火箭液氧/煤油發(fā)動機渦輪端動密封的苛刻服役工況，研制的密封動環(huán)耐磨涂層，有效解決了發(fā)動機特種泵體啟動過程中伴隨高轉(zhuǎn)速條件下動密封面的摩擦磨損問題。
至此，上海硅酸鹽所研制的多種涂層與材料已成功應(yīng)用于神舟系列載人飛船、天舟系列貨運飛船和空間站。
航空航天到底需要多少種涂層？
表面涂層技術(shù)是航空航天制造技術(shù)的重要組成部分之一。采取一定的表面工程手段在飛行器零部件表面制備具有特定防護或功能涂層，可以使零部件表面具有隔熱、減摩可磨耗封嚴(yán)、耐磨防腐蝕、抗高溫氧化、吸波隱身等功能。目前，航空表面涂層技術(shù)發(fā)展最快也是最重要的涂層，包括熱障涂層（TBCs）、超高溫復(fù)合材料部件表面環(huán)境障涂層（EBC）、高溫可磨耗封嚴(yán)涂層、WC-Co及氧化鋁鈦等耐磨涂層、吸波及紅外隱身涂層等技術(shù)，涂層的應(yīng)用大幅度提高了航空產(chǎn)品的性能、可靠性、經(jīng)濟性、服役壽命及戰(zhàn)機的生存能力。
航天發(fā)動機是使用涂層最多的部位，一臺發(fā)動機10000多個零部件中，1/3以上部件表面需要使用特種功能涂層，主要包括高溫?zé)嵴贤繉�、�?fù)合封嚴(yán)涂層、耐磨涂層等。
1、超高溫?zé)嵴贤繉?/strong>
航空發(fā)動機用高溫涂層的發(fā)展經(jīng)歷了以下４個階段：
①鋁化物涂層（第一代涂層）；
②改性鋁化物涂層（第二代涂層）；
③MCrAlY（M=Fe、Ni、Co或其組合）包覆涂層（第三代涂層）；
④熱障涂層（第四代涂層）。
熱障涂層結(jié)構(gòu)示意圖與各層功能
熱障涂層是采用耐高溫和低導(dǎo)熱的陶瓷材料以涂層的方式與金屬相復(fù)合，從而降低高溫環(huán)境下金屬表面溫度的一種熱防護技術(shù)。熱障涂層應(yīng)用于航空發(fā)動機高壓渦輪葉片可以顯著降低渦輪葉片合金表面溫度，大幅度延長葉片工作壽命，提高發(fā)動機推力和效率。
熱障涂層包含四部分：
①基體一被保護的零件；
②金屬粘結(jié)層；
③熱生長氧化物層通常是一層致密的Al2O3層，以阻止氧氣向粘結(jié)層和基體間擴散；
④陶瓷頂層一般為氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷。
2、復(fù)合材料表面環(huán)境障涂層
最近十幾年，C/C、C/SiC、SiC/SiC陶瓷復(fù)合材料作為宇宙飛行器結(jié)構(gòu)材料得到了人們的承認(rèn)，并已成功地用于制造航天飛機的鼻錐、機翼前緣及其他高溫部件，在航天飛機防熱非常強烈不宜用陶瓷的部位使用C/C作防熱瓦，C/C還用于制造飛機上的制動器，使飛機的重量顯著減輕。C/C復(fù)合材料在高溫條件下存在嚴(yán)重的氧化和燒蝕問題，C/SiC、SiC/SiC陶瓷復(fù)合材料部件在高溫水蒸氣環(huán)境下存在性能退化及易受CMAS熔鹽侵蝕問題。環(huán)境障涂層（EBC）是為提高C/C、C/SiC、SiC/SiC高溫復(fù)合材料部件環(huán)境穩(wěn)定性的表面防護涂層。
3、封嚴(yán)涂層
封嚴(yán)涂層也被稱為“易磨涂層”，作為發(fā)動機重要技術(shù)，可改善發(fā)動機氣路密封性，提高發(fā)動機性能，降低油耗�？赡ズ姆鈬�(yán)涂層應(yīng)用于航空發(fā)動機風(fēng)扇、壓氣機和渦輪等部位。
為了實現(xiàn)涂層的可磨耗性、抗沖蝕性、抗氧化、結(jié)合好、質(zhì)軟、多孔抗高溫氣流沖蝕等性能的綜合要求，可磨耗封嚴(yán)涂層大多是由一定比例的金屬相和具有自潤滑作用的非金屬復(fù)合材料組成。金屬相為涂層的骨架，保證涂層的力學(xué)強度以及抗氧化、抗腐蝕性能。固體潤滑劑在滑移表面形成一層低摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)化膜，具有良好的減摩潤滑作用。
4、抗氧化涂層
自20世紀(jì)50年代至今，各國針對各種難溶金屬表面抗氧化涂層進行了大量研究，形成了鋁化物、氧化物、硅化物、合金涂層、貴金屬５大涂層體系。目前，1300℃以上使用的涂層主要為硅化物涂層與貴金屬涂層。硅化物涂層因為硅高溫氧化時在涂層表面形成致密的SiO2層，能阻擋氧向基體內(nèi)擴散，避免氧直接與基體接觸發(fā)生氧化。同時，形成的SiO2為玻璃相，在高溫下具有很好的流動性，能夠彌補涂層在氧化過程中因為熱膨脹等因素產(chǎn)生的裂紋、孔洞等缺陷，即產(chǎn)生“自愈合”能力。由于硅化物涂層的這一特點，使得其在航空航天領(lǐng)域擁有廣泛的運用�；趩我还杌锿繉由鲜鲆蛩貙w防護存在的局限性，研究人員研究了N、B、Al等元素改性的硅化物涂層，使涂層延長在高溫下的使用壽命。
5、耐磨耐蝕涂層
耐磨涂層的材料種類也是多種多樣的，軸類零件多采用WC-Co涂層，封嚴(yán)環(huán)以及緣板配合面采用CoMoCrSi涂層，篦齒采用Al2O3-SiO2涂層，而抗沖蝕多采用TiN涂層。工藝上，TiN涂層采用物理氣相沉積(PVD)工藝，其他耐磨涂層多采用等離子或者超音速噴涂工藝。當(dāng)然，對于CoMoCrSi涂層現(xiàn)階段多采用堆焊工藝。
WC-Co涂層噴涂
6、“抗冷”的涂層——防冰涂層
沒錯，發(fā)動機既要耐熱也需要抗冷，畢竟由于結(jié)冰而導(dǎo)致的航空事故也不在少數(shù)。當(dāng)然，現(xiàn)有的設(shè)計水平已經(jīng)可以從根本上解決一些發(fā)動機結(jié)冰的問題，但在一些特殊領(lǐng)域，防冰涂層依舊存在用武之地。
防冰涂層在原理上可分為兩類，一種是Anti-icing Coating，另一種是De-icing Coating。如果強行解釋的話，Anti-icing的功能是防止結(jié)冰(不讓水汽在零件表面凝結(jié))，De-icing的作用則是使結(jié)冰層快速脫落，兩者通過噴涂的方式實現(xiàn)，主要用在進氣錐等發(fā)動前端部位，當(dāng)然，更多的在飛機機身領(lǐng)域進行應(yīng)用。
參考來源：
[1]李其連等.航空表面涂層技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
[2]何浩然等.航空涂層應(yīng)用測級其制備技術(shù)
[3]袁建鵬等.涂層技術(shù)在航空航天材料領(lǐng)域的應(yīng)用
[4]航空發(fā)動機到底用到了多少種涂層？.乘風(fēng)航空
[5]上海硅酸鹽所
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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