涂層粉體材料是一種表面工程應用材料，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(mǎn)足光、電、磁等特殊作用或功能。工業(yè)上，產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)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(mén)。隨著(zhù)一些產(chǎn)品制造越來(lái)越精細，服役條件越來(lái)越苛刻，對于表面涂層材料的要求也提出更高的要求。
2000年，在美國納米材料公司產(chǎn)業(yè)化了第一個(gè)產(chǎn)品-納米鋁鈦粉涂層粉體材料，它的致密度達到95%~98%，結合強度同比提高2-3倍，耐磨性提高了3-8倍，現在這家公司的產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)供應美國海軍應用。
納米涂層應用領(lǐng)域非常廣泛，尤其是在航空發(fā)動(dòng)機及燃氣輪機（2機）方面，因為“2機”裝備是一個(gè)國家科技、工業(yè)、經(jīng)濟和國防實(shí)力重要標志，被譽(yù)為現代工業(yè)“皇冠上的明珠”。
然而航空發(fā)動(dòng)機的“心臟病”問(wèn)題就一直困擾著(zhù)中國航空工業(yè)，因此我們國家對于“2機”有著(zhù)更為緊迫的需求。
2014年11月，國家自然科學(xué)基金委員會(huì )召開(kāi)雙清論壇，主題為“航空發(fā)動(dòng)機熱障涂層技術(shù)與應用中的挑戰性科學(xué)問(wèn)題”。專(zhuān)家們指出，熱障涂層技術(shù)是世界各國航空推進(jìn)計劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，有巨大的應用前景。美國、英國、法國、俄羅斯等世界航空發(fā)動(dòng)機強國已經(jīng)將熱障涂層技術(shù)廣泛地應用在航空、航天領(lǐng)域，并進(jìn)一步推廣至電力、能源等工業(yè)領(lǐng)域，同時(shí)將此項技術(shù)列為核心絕密技術(shù)實(shí)行封鎖。正因如此，“2機”已經(jīng)被列入國家重大科技專(zhuān)項，成為國家戰略。今年3月，通過(guò)的“十三五”規劃我國要上馬的100個(gè)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(dòng)機而言，其研制的最難之處在于材料和制造工藝，因為超過(guò)極限的性能要求最終都要落實(shí)到發(fā)展尖端的材料和制造工藝上。專(zhuān)家指出，我國航空發(fā)動(dòng)機研制的困難和性能差距主要體現在渦輪葉片以及渦輪盤(pán)材料和工藝兩個(gè)方面?，F代航空渦輪發(fā)動(dòng)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定工作。其中，高性能的葉片集先進(jìn)材料、先進(jìn)成型工藝、先進(jìn)冷卻技術(shù)、先進(jìn)涂層于一體。目前，我國航空發(fā)動(dòng)機尤其是軍用發(fā)動(dòng)機，熱障涂層的壽命大多數也就百十個(gè)小時(shí)，而俄羅斯的產(chǎn)品能達到1000多小時(shí)，美國的產(chǎn)品能達到3000多小時(shí)，造成了我國航空發(fā)動(dòng)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）主要應用在飛機發(fā)動(dòng)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(dòng)機進(jìn)口溫度和提高發(fā)動(dòng)機推重比作用的一種陶瓷涂層材料。7±1wt%Y2O3穩定的ZrO2（即8YSZ）材料體系已經(jīng)使用了幾十年了，已不能適應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(zhuān)項重點(diǎn)方向，在高端裝備基礎能力提升之工業(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(gè)涉及到熱障涂層材料，一種是作為熱障涂層結合層的多組元MCrAlY材料，要求其結合強度≥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相陶瓷材料，要求其1200℃（100h）無(wú)相變，熱導率<1.2W/m·K。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是要求熱障涂層具有50MPa以上的結合強度，能在1200℃以上工作溫度下長(cháng)期使用。
燃氣輪機的情況也是如此。目前，國內企業(yè)沒(méi)有掌握核心技術(shù)，跨國公司把持了燃氣輪機供應及維修市場(chǎng)，壟斷的結果是支付高昂的代價(jià)，不僅體現在初始投資，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(chǎng)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(guò)總投資的13%。華能金陵電廠(chǎng)與GE簽訂的維修合同，據悉，僅2008年的年度費用就達到3600萬(wàn)元。上海臨港燃機的費用更是驚人，西門(mén)子長(cháng)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(gè)維修費用的80%。
燃氣輪機是能源轉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(diǎn)，核電發(fā)電效率35%左右，所以，燃氣輪輪機還有很大的應用空間，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(dòng)計劃（2016-2030年）》，并同時(shí)發(fā)布了《能源技術(shù)革命重點(diǎn)創(chuàng )新行動(dòng)路線(xiàn)圖》。其中關(guān)于燃氣輪機路線(xiàn)如下：戰略方向：涉及先進(jìn)材料與制造。重點(diǎn)在高性能復合材料、高溫耐熱合金材料涂層、大尺寸高溫合金（單晶、定向結晶）鑄造；創(chuàng )新行動(dòng)：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(shí)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(shí)也著(zhù)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(kāi)展先進(jìn)TBC涂層及粘結層的新材料和新工藝研究，提高TBC涂層的抗高溫能力進(jìn)一步降低熱導率，提高粘結層的抗氧化性能；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制造技術(shù)，研發(fā)燃氣發(fā)電智能控制和決策系統；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(jìn)的涂層技術(shù)是裝備必備的材料基礎。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出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(dòng)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(guò)特殊的納米粉體造粒調控技術(shù)，研制出了納米結構鋯酸鹽熱障涂層粉體材料，突破了目前我國航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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構雙陶瓷型涂層的隔熱效果比相同厚度的現在廣泛應用的傳統微米結構單陶瓷層8YSZ熱障涂層提高了70%以上。此外，納米結構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、與基體熱膨脹系數相近、對基體性能影響較小、成分可調等優(yōu)點(diǎn)，就被大量作為熱障涂層的結合層，或被作為單獨的涂層應用到航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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?lài)娡繜嵴贤繉拥亩嘀毓に?，直接快?D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)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(shí)與基體間的結合強度達到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(zhuān)項重點(diǎn)方向中要求的結合強度≥50MPa的要求。
增材制造（3D打?。┍环Q(chēng)為第三次工業(yè)革命，近年來(lái)發(fā)展迅猛。隨著(zhù)高性能合金增材制造領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，以該技術(shù)制造新型發(fā)動(dòng)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(dòng)機噴嘴，把20個(gè)零件打印成了一個(gè)零件，材料成本大幅度減少，還節省燃油15%。GE子公司Avio公司在3D打印噴氣發(fā)動(dòng)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(guò)利用增材制造技術(shù)制造首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機零件以節約成本，NASA空間技術(shù)任務(wù)部負責人稱(chēng)這是航空航天領(lǐng)域3D打印技術(shù)應用的新里程碑。我國航天發(fā)動(dòng)機3D也駛入快車(chē)道。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(jìn)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(jià)，提出了推進(jìn)意見(jiàn)。
但是，3D打印在我國的發(fā)展面臨著(zhù)一個(gè)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)境適應性的新材料，就有可能成為中國在3D打印市場(chǎng)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。
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