1
航 空 发 动 机 叶 片 涂 层 技 术
一．涡轮叶片是先进航空发动机核心关键之一
航空发动机被称为现代工业“皇冠上的明珠”，航空发动机是飞
机的“心脏”， 价值一般占到整架飞机的20%-25%。目前，能独立研
制、生产航空发动机的国家只有美、英、法、俄、中5个。但是，无
论“昆仑”、“秦岭”发动机、还是“太行”系列，我国航空发动机
的水平距离这一领域的“珠穆朗玛”依然存在不小的差距。美、俄、
英、法四个顶级“玩家”能够自主研发先进航空发动机。西方四国由
于对未来战场与市场的担忧，在航空发动机核心技术上一直对中国实
施禁运和封锁。技术难关有很多。本人认为涡轮叶片是先进航空发动
机的核心技术之一。
随着航空航天工业的发展，对发动机的性能要求越来越高，要使
发动机具有高的推重比和大的推动力，所采用的主要措施是提高涡轮
进口温度。国外在20世纪90年代，要求涡轮前燃气进口温度达
1850-1950K。美国在IHPTET计划中要求：在海平面标准大气条件下，
航空燃气涡轮机的的涡轮进口温度高达2366K。涡轮进口温度的提高
要求发动机零件必须具有更高的抗热冲击、耐高温腐蚀、抗热交变和
复杂应力的能力。对于舰载机，由于在海洋高盐雾环境下长期服役，
要求发动机的叶片的耐腐蚀性更高；常在沙漠上飞行的飞机，发动机
的叶片要具有更好的耐磨蚀。
众所周知：镍基和钴基高温合金具有优异的高温力学和腐蚀性
2
能，广泛用于制造航空发动机和各类燃气轮机的涡轮叶片（blade and
vane）。就材质来看：各国的高温合金型号虽各不相同，但就相近成
分的高温合金来说，其性能相近（生产工艺方法不同有也造成性能有
大的差异）。好的高温合金的使用温度也只有1073K左右，为达到前
面所说的要求温度，采用的方法有二：一是制成空心的叶片。空心叶
片自20世纪60年代中期出现以来，经历了对流冷却、冲击冷却、气
膜冷却以及综合冷却的发展历程，使进气口温度高出叶片材料约300
—500℃，内腔的走向复杂化和细致化。这一步的改进仍难满足需要，
且英国发展计划将取消冷却。二是涂层，常进行多材质多层次涂层。
PVT公司研究表明：军用直升机上的发动机叶片采用涂层，在沙
漠上飞行，寿命可提高3倍左右，不仅大大降低了制造发动机叶片的
成本，同时也使飞机的维护时间延长了两倍。
二．涡轮叶片的涂层
高温合金的生产方法或晶形结构对产品的性能是有很大影响的，
如图1所示， GE公司20年前开始采用单晶高温合金制作战机用发
Fig.1 Comparative preperties of polycrystal,columnar and single-crystal superallys
3
动机叶片。从图1看出：使用单晶后，蠕变和热疲劳提高9倍，但抗
腐蚀性只提高4倍，增加涂层仍十分必要。
涡轮叶片的涂层的方法很多，常用的有热渗、磁控溅射、热喷涂
三种，热渗法方法简单方便，成本低，也是最适合叶片内腔涂层的方
法。
热渗法属于化学热处理，利用高温的方法将化学原子扩散注入到
基体金属中，并在其表面沉积均匀的保护膜。根据使用原料的状态的
不同，又可分为固体粉末包埋法、气相法、液相法和浆料法，其中固
体粉末包埋法、气相法用得最广。热渗涂层原理简单，但工艺控制方
法是关键，我国已有相关部门在进行这方面的研究，但从公布的图片
看，仍有差距；国外对军工涂层技术也是封锁的。下面谈GE和Siemens
两家世界最大的燃气轮机生厂家的有关情况。
GE的燃气轮机不仅用于民用发电，也应用于美国军事飞机、和
海军舰艇。 图2 为GE不同涂层的性能对比图。1968年GE研发了
TF39涡轮风扇发动机,并应用于C-5“银河”远程重型运输机上。
Fig.2 Comparative resistance in types of coatings
4
1969年GE以TF39涡轮风扇发动机的核心机为基础，研制新型L
M25OO燃气轮机样机，LM2500的输出功率达到了25500马力（18755
千瓦），效率达到了35.5%，首次装于31艘8040吨的“斯普鲁恩斯”
级导弹驱逐舰，最大航速达到33节
M25OO燃气轮机的燃气发生器涡轮转子由一个锥形前轴、两个带
叶片和护圈的涡轮盘、一个圆锥形转子隔板、一个热屏蔽和一个后轴
组成，两级涡轮叶片均为长叶柄、内冷却式结构，叶根为机树形。长
叶柄叶片不但为冷却空气提供了通路，而且因为较高的阻尼作用减小
了振动，轮盘外缘的温度也降低了。叶片成对地钎焊在一起，材料为
Rene80钴基合金，表面渗有抗腐蚀、抗氧化的钴铬铝钇保护层。动
力涡轮的6级工作叶片全部为带冠结构，抗振性能好，效率高，用耐
腐蚀材料Rene77合金制造，前3级工作叶片表面还涂有防腐蚀涂层。
导向器叶片的前3级也是用Rene77合金制造，后3级则改为用Rene
41合金制造。
新的LM2500＋型燃气轮机在1998年进行试车，功率达到了4050
0马力（29788千瓦），效率达到39.1%。美国海军的LHD1“黄蜂”级
大型两栖攻击舰的动力装置本来采用两台共7万马力（51485千瓦）
的蒸汽轮机，从第8艘“马金岛”号（LHDS）起，已经改为使用两台
LM25OO＋燃气轮机推进。在2005年开始对新一代LM2500+G4进行试
验，最大功率达到了47370马力（34841千瓦），效率进一步提高到3
9.3％。
5
Seimens已成立了160多年，服务于中国已近140年，在中国有
90多家营运企业。Seimens生产的燃气轮机主要用于能源发电领域
（本人暂末查在军事领域中的应用）。华能上海燃机电厂配备了三台
先进的Siemens燃气轮机，总装机容量达1200 MW，发电效率达到5
8%，是我国目前最大的联合循环电厂之一，2007年度亚洲最佳燃气
电厂。采用Seimens燃气轮机及技术的华能玉环电厂（4x1000MW）是
我国高效清洁燃煤电厂建设史上的新里程碑，在机组容量、环保、高
效率及节能方面居世界领先水平，整体效率高达45%。
涡轮机入口温度（TIT）从1060°C 提高到1075°C或者使用 4
1MAC 需要特殊的保护的热屏蔽涂料来适当的减少温度梯度(热气面/
冷却空气面)，以此充分减少叶片上的静态和动态负荷以获得相对长
的使用年限。防护涂层系统也必须保证在不那么可延展的热屏蔽薄层
(TBC)和基础材料之间的最佳压焊。 为此需要特别发展的粘合层将T
BC 粘合在基础材料上 (基于镍的铸件)，因为这些材料的物理性质存
在着极端的差别。这些防护涂层(粘合层)也必须提供保护以防高温氧
化和腐蚀。叶片主要采用Rene合金+涂层。
三．上海晶淳新材料有限公司介绍
上海晶淳新材料有限公司是落户于上海市松江区城区，是一家专
业从事金属、非金属（陶瓷）粉体材料及制品的民营高科技企业。以
“节能 环保 安全”为设计理念，开发生产低碳绿色环保型产品。
6
公司开发的粉体涂层材料主要用于燃气轮机叶片、模具和机械零部件
的表面处理；公司开发的陶瓷低温烧结剂广泛应用于特种陶瓷行业；
公司开发的金属粉末、粉末冶金和特种陶瓷制品广泛用于机械、冶金、
化工、汽车电子等行业。
公司通过了Siemens公司的全面质量认证，是Siemens公司的燃
气轮机叶片涂层材料定点生产厂家，产品质量达到并超过了原进口材
料的质量水平，性能稳定可靠。2011年已为Siemens公司生产近60
吨涂层材料。产品主要用于SGT5-4000F型燃气轮机叶片的涂层生产。
SGT5-4000F型燃气轮机,功率340MW（相当GE十台LM2500+G4型
燃气轮机）。重440t,燃气涡轮机长13m、高5m。与火力发电和核发
电相比较，燃气涡轮机的优点是效率高，有着很好的调节控制可能性。
只需15min的时间，启动后的涡轮机即可满负荷工作。启动时，首先
把发电机当作电动机使用、驱动着涡轮机的主轴旋转,多级压缩机的
精密叶轮产生一定的压缩空气,点燃燃气之后，涡轮机继续旋转，直
到稳定在其最高转速并带动发电机发电。温度高达600℃的废气将被
回收利用：由热交换器生产出蒸汽，并将这些蒸汽输送到燃气涡轮机
后端的蒸汽涡轮机中进行发电。已经很高的、几乎达到40％的燃气
涡轮机效率也因此进一步得到了提高，整套发电机组的总效率高达6
0％。
公司粉体涂层材料现有渗铬粉和渗铝粉二种，渗铬粉型号为JC-
SCR-55，主要用于叶片的外表面涂层，为粉体包埋法渗铬涂层。图3
7
为渗铬涂层叶片。
Fig.3 渗铬涂层叶片
渗铝粉有JC-SA-5和JC-SA-20二个型号，主要用于叶片内腔的
涂层； JC-SA-5为气态渗铝涂层，JC-SA-20为粉体包埋法渗铝涂层。
镍基高温合金涂铬厚度为60—100um。镍基高温合金涂铝厚度为40
—100um。产品结构致密，防腐蚀性能优越。
Fig.4 涂层后金相(左为渗铬涂层,右为渗铝涂层)
四．参考文献（略）