航空發(fā)動(dòng)機(jī)的表面涂層技術(shù)
SurfaceCoatingTechnologyofAeroengine
總參謀部陸航部株洲地區(qū)軍事代表室
[摘要]結(jié)合實(shí)際應(yīng)用,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)上各主要部件所使用的涂層及其工藝與性能特點(diǎn)進(jìn)行了描述,并介紹了目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層技術(shù)的分類(lèi)和使用情況。
關(guān)鍵詞:表面涂層
涂覆工藝
航空發(fā)動(dòng)機(jī)
[ABSTRACT]Withcombiningtheactualappli ̄
cationofthecoatingsinthemaincomponentsoftheaeroengine,theprocessandcharacteristicsarede ̄scribed,whiletheclassificationandusageofthecoatingtechnologyusedinaeroengineinrecentyearsareintro ̄duced.
Keywords:SurfacecoatingCoatingtechnology
Aeroengine
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展和性能不斷提高,其工作溫度也逐步升高,目前先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)出口溫度已達(dá)到650℃,燃燒室及加力燃燒室的工作溫度接近2000℃,渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1650~1750℃。但這些部位的零件所用的基體材料的性能和所能承受的溫度有限,不可能完全滿(mǎn)足要求,為了提高其壽命、可靠性和抗疲勞等性能,使用各種涂層是一種有效方法。
1航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用的涂層分類(lèi)
(1)保護(hù)涂層。
抗磨、耐沖擊等保護(hù)涂層可對(duì)管路、附件、葉片、機(jī)匣、帽罩等發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件起到改善工作條件、提高可靠性和延長(zhǎng)使用壽命的作用。如為提高冠狀渦輪工作葉片葉冠接觸面的耐磨性,可在葉冠接觸面上噴涂CoCrW或CoCrMo硬質(zhì)合金等耐磨材料。
(2)封嚴(yán)與密封涂層。為限制轉(zhuǎn)子、
靜子之間的間隙,不使氣流泄漏,在靜子、
轉(zhuǎn)子葉片或封嚴(yán)蓖齒上涂覆軟、硬涂層,用磨損涂層的方法來(lái)保持封嚴(yán)。
(3)橡膠涂層。
航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片在工作中處于高離心負(fù)荷狀態(tài),在振動(dòng)作用下最容易被破壞,所以葉片的減振非常重要。葉片振動(dòng)的形式包括強(qiáng)迫振動(dòng)、顫振、旋轉(zhuǎn)失速和隨機(jī)振動(dòng)。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)安全工作,壓氣機(jī)葉片振動(dòng)不能過(guò)大,為此,除了在葉片設(shè)計(jì)上采取加凸尖、減振環(huán)、阻尼塊、帶冠葉片、寬弦葉片、加強(qiáng)
肋、削尖等減振措施外,有的國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)正采用橡膠涂層,即將橡膠涂層涂于壓氣機(jī)葉片燕尾槽底部,然后將葉片裝入壓氣盤(pán)的燕尾槽內(nèi)。橡膠涂層屬于高彈性分子材料,振動(dòng)時(shí)可吸收能量,有明顯的阻尼作用,其密封性好,使用壽命長(zhǎng),且容易更換,便于維護(hù)。
(4)熱障涂層,F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)1650~1750℃,但第三代單晶材料只能承受1100℃的溫度;用復(fù)雜的氣冷方式,冷效也只有
400℃左右,還有100~200℃的差距,只能靠發(fā)展熱涂層
技術(shù)來(lái)解決這一問(wèn)題。熱障涂層在燃燒室中的應(yīng)用已有30多年歷史,近年來(lái),熱障涂層已成為渦輪葉片設(shè)計(jì)和維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)之一,如在CFM ̄56A、F414、JT9D、
PW2000、PW4000等涂層發(fā)動(dòng)機(jī)的工作葉片和導(dǎo)向葉
片上就應(yīng)用了TBC、PWA265、PWA266、PWA264等涂層材料。大量試驗(yàn)證明,熱障涂層熱變形小、耐蝕、耐磨、密封性好,最高可將葉片工作溫度提高156℃,用在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件上可提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。美國(guó)普惠公司在JT3D和JT38D發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、燃燒室、渦輪葉片等處采用了熱障涂層,目前,熱障涂層已發(fā)展到了第3代。英國(guó)R・
R公司的Spey發(fā)動(dòng)機(jī)有200多個(gè)零件使用了熱障涂層,尤其是在第1~3級(jí)渦輪葉片的葉冠上均使用了熱障
涂層,從而改善了葉片的可靠性,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)功率。
2
發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件所使用的涂層及工藝
2.1
壓氣機(jī)葉片
目前,壓氣機(jī)葉片廣泛采用的防護(hù)工藝有4種:(1)WZL涂層。WZL涂層與美國(guó)的Sermetel ̄w涂
層屬于同一類(lèi)型的中溫防護(hù)涂層,能有效解決鋼葉片在600℃以下各種復(fù)雜環(huán)境中的腐蝕問(wèn)題。WZL涂層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類(lèi),其中Ⅰ類(lèi)為不導(dǎo)電涂層,Ⅱ、Ⅲ、
Ⅳ類(lèi)為導(dǎo)電涂層,也就是通常所說(shuō)的犧牲性陽(yáng)極防護(hù)涂層,對(duì)鋼葉片具有優(yōu)越的電化學(xué)腐蝕防護(hù)能力。WZL
系列涂層的缺點(diǎn)是比較松軟,抗氣流沖刷能力差。
WZL ̄8是一種由復(fù)合鹽組成的涂料,具有良好的
滲透性和結(jié)合力,形成涂層后,可改善涂層粗糙度,具
2007年第6期・航空制造技術(shù)93
專(zhuān)題綜述
有更高強(qiáng)度和硬度,抗氣流沖刷能力明顯提高。因此,在1Cr11Ni2W2MoV壓氣機(jī)葉片上采用WZL底層+
WZL ̄8封閉面層形成的復(fù)合涂層是一種較理想方法。
(2)Ni ̄Cd擴(kuò)散鍍層。Ni ̄Cd鍍層是在葉片上先鍍上8~12μm厚的Ni層(作為不銹鋼基體的陰極保護(hù)層),再在上面鍍3~5μm厚的Cd層。在350℃溫度下進(jìn)行1h擴(kuò)散處理,形成Ni ̄Cd合金層和γ ̄Cd4Ni金屬間化合物,該合金對(duì)不銹鋼基體來(lái)說(shuō)為陽(yáng)極合金鍍層,具有犧牲性陽(yáng)極保護(hù)能力。Ni ̄Cd擴(kuò)散鍍層對(duì)葉片具有很好的防護(hù)作用,能在一定程度上降低葉片振動(dòng)疲勞。
(3)Al2S低溫滲Al復(fù)合涂層。Al2S涂層分兩步進(jìn)行,即先進(jìn)行低溫滲鋁,而后再涂硅酸鹽。滲鋁層為葉片基體提供犧牲性陽(yáng)極保護(hù),硅酸鹽涂層為障礙性隔離保護(hù)涂層。從工藝技術(shù)來(lái)看,它是由熱處理滲層和表面涂層相結(jié)合的復(fù)合防護(hù)層,具有很高的防腐蝕能力,已在國(guó)內(nèi)外得到普遍應(yīng)用。
(4)葉片榫頭防護(hù)涂層。
壓氣機(jī)葉片榫頭的工作條件十分惡劣,不但要承受葉片的離心負(fù)荷,而且還要承受很大的擠壓應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力和微振磨損。為了提高葉片榫頭的使用可靠性,目前廣泛采用保護(hù)涂層或鍍層,例如我國(guó)某渦噴系列發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金轉(zhuǎn)子葉片榫頭采用鍍銀;某渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦合金風(fēng)扇葉片榫頭采用干膜潤(rùn)滑劑,鈦合金轉(zhuǎn)子葉片榫頭也采用鍍銀;我國(guó)某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的GH4169合金轉(zhuǎn)子葉片榫頭采用噴丸強(qiáng)化,TA11鈦合金葉片采用Cu-Ni-In等離子噴涂涂層。上述各類(lèi)涂層對(duì)榫頭的主要作用是:防止榫頭接觸面產(chǎn)生微振磨損和微動(dòng)疲勞,避免榫頭在工作過(guò)程中折斷;對(duì)葉片起阻尼減振作用;防止榫頭與盤(pán)榫槽接觸面粘結(jié),便于發(fā)動(dòng)機(jī)分解和維修;增加榫頭與榫槽的接觸面積,減小接觸應(yīng)力,使榫頭受力更均勻。
2.2燃燒室
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高,燃燒室的工作溫度也
在不斷提高。燃燒室表面涂層的目的是提高零件的抗氧化、耐熱、耐磨和密封性能?刹捎锰沾赏繉印⒀趸喭繉、耐磨涂層和鎳石墨涂層等。陶瓷涂層是抗氧化涂層,如我國(guó)某些渦噴系列發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒壁內(nèi)外表面、加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器、調(diào)節(jié)片和密封片等均涂有陶瓷涂層。氧化鋯涂層是隔熱涂層,如加力燃燒室后部工作溫度高,易產(chǎn)生熱裂紋和燒蝕,改進(jìn)后的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在此部位的隔熱屏上噴涂了氧化鋯涂層后,大大減少了此類(lèi)故障的產(chǎn)生;英國(guó)RB211發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室襯套表面采用了熱噴氧化鋯涂層,防止了因熱變形而產(chǎn)生的
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航空制造技術(shù)・2007年第6期
裂紋,極大提高了燃燒室使用壽命。Co ̄Cr ̄W涂層是耐磨涂層,涂在火焰筒外套后安裝邊掛火焰筒處,提高了零件的使用壽命。還有個(gè)別的燃燒室零件采用了表面鍍鉻、鍍鎳、鍍銀、鍍鋅和涂漆或高溫磁漆工藝。
2.3渦輪葉片
渦輪導(dǎo)向器葉片的工作溫度比渦輪葉片更高,目前
國(guó)內(nèi)在役的渦噴、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命一般小于1000h,很難用一種材料同時(shí)滿(mǎn)足葉片長(zhǎng)期工作所需的高溫蠕變強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕性能,通常通過(guò)復(fù)雜合金化來(lái)提高基體材料的耐高溫強(qiáng)度,用表面涂層來(lái)提高防護(hù)性能。目前,用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪工作葉片和導(dǎo)向器葉片的涂層工藝主要有四大類(lèi):
(1)鋁化物擴(kuò)散涂層。采用化學(xué)熱處理方法,如粉末包埋法、料漿法、氣相法等,使葉片表層獲得富鋁層(Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在30%以上),厚度5~40μm,表面生成
Al2O3保護(hù)膜,膜在破裂后有較好的自愈性,能滿(mǎn)足渦
輪葉片的防護(hù)要求,是一種工藝簡(jiǎn)單、
費(fèi)用低廉、工藝穩(wěn)定的擴(kuò)散涂層方法。我國(guó)各型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的80%的渦輪導(dǎo)向器葉片都采用此法防護(hù)。但由于鋁與基體材料中的鎳形成NiAl金屬間化合物,使?jié)B鋁層變脆,容易崩裂、剝落。研究人員曾發(fā)現(xiàn)工作壽命超過(guò)700h的葉片在滲鋁層與基體界面上會(huì)生成有害的針狀σ相,因此,滲鋁層的厚度和使用壽命應(yīng)適當(dāng)控制。
(2)改性鋁化物擴(kuò)散涂層。
為彌補(bǔ)滲鋁層的以上不足,20世紀(jì)60年代末改性鋁化物擴(kuò)散涂層被開(kāi)發(fā)出來(lái),如Cr ̄Al、Si ̄Al、Ti ̄Al、Pt ̄Al、Pd ̄Al、Ti ̄Si ̄Al、NiCr ̄CrAl等。
其中性能最優(yōu)的是Pt ̄Al改性擴(kuò)散涂層,同時(shí)這種涂層在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中也獲得了廣泛應(yīng)用,使燃機(jī)工作壽命可超過(guò)5000h。我國(guó)在80年代引進(jìn)的法國(guó)全套專(zhuān)利技術(shù)生產(chǎn)的某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)向器葉片采用Cr ̄Al共滲防護(hù)涂層,要求涂層厚度為30~60μm,實(shí)測(cè)值為40~53μm,防護(hù)效果能滿(mǎn)足使用要求。但零件經(jīng)固溶+滲層后,合金的γ′相粗大(明顯超過(guò)法國(guó)件),粗大的γ′相對(duì)基體的強(qiáng)化效果降低,對(duì)室溫拉伸性能造成了影響。
Si ̄Al共滲應(yīng)用較廣泛,如我國(guó)多種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片均采用Si ̄Al共滲涂層。用該工藝獲得的涂層性
能穩(wěn)定,能滿(mǎn)足使用要求,但涂層塑性較差,所以厚度不宜太大,實(shí)際控制在30μm左右。NiCr ̄CrAl共滲在俄羅斯AЛ ̄31Φ發(fā)動(dòng)機(jī)上被應(yīng)用,但工藝比較復(fù)雜。
(3)包覆涂層。包覆涂層是先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層,其典型的成分為MCrAlY(M=Fe,Co,Ni),其質(zhì)量分?jǐn)?shù)
為Cr(20~40)%、Al(5~12)%、Y(或其他活性元素Ta、
Hf等)小于0.5%。包覆涂層的特點(diǎn)是成分兼顧了抗氧
化腐蝕性和塑性,因?yàn)樗乃苄员葦U(kuò)散涂層好,故厚度允許大些,通常為100μm左右。
目前制備MCrAlY包覆涂層的工藝方法有物理氣相沉積(電子束物理氣相沉積、磁控濺射、真空電弧離子鍍)和等離子噴涂(低壓等離子噴涂、氬屏蔽等離子噴涂)。某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)IC6合金Ⅱ級(jí)導(dǎo)向器葉片采用磁控濺射和真空電弧離子鍍工藝制備NiCrAlYSi和
NiCoCrAlY包覆涂層,其中真空電弧離子鍍NiCo ̄
CrAlY涂層已投入批量生產(chǎn)。
某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)DZ22合金渦輪工作葉片采用的磁控濺射NiCrAlY涂層,某型渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ級(jí)渦輪工作葉片采用的低壓等離子噴涂
NiCoCrAlYTa六元素涂層都取得了良好的效果。目前,MCrAlY涂層存在的主要問(wèn)題是涂層有局部剝落現(xiàn)象,
涂層厚度不均勻和粗糙度不夠理想等。
(4)熱障涂層。熱障涂層是復(fù)合性涂層,其結(jié)構(gòu)在各種涂層中最為復(fù)雜,用MCrAlY作為底層,再在其上噴涂用Al2O3或MgO穩(wěn)定化的ZrO2作面層。有資料報(bào)道,涂覆0.127mm隔熱涂層后,葉片金屬溫度降低
189℃,冷卻氣流減少50%。由于該涂層的陶瓷材料較
脆,目前只能用在導(dǎo)向器葉片上。
其噴涂工藝主要有等離子噴涂及電子束氣相沉積兩種方法,兩者各有優(yōu)勢(shì)。電子束氣相可形成柱狀組織,但導(dǎo)熱系數(shù)較高;等離子噴涂的導(dǎo)熱系數(shù)較低,但易剝落,因此熱障涂層的廣泛應(yīng)用受到限制。解決熱噴涂工藝存在問(wèn)題的一種途徑是采用微疊層熱障涂層,用的是溶膠 ̄凝膠法,將氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯層(YSZ)與ZrSiO4層交替涂覆形成微疊層復(fù)合材料以代替較早的熱障涂層。該技術(shù)依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強(qiáng)度和蠕變抗力,利用高溫金屬作韌化元素,從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。目前,采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態(tài)反應(yīng)等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復(fù)合材料,包括Nb ̄Cr2Nb、Nb ̄Nb5Si3以及Nb ̄MoSi2等。
除用于葉片外,微疊層復(fù)合材料在無(wú)疲勞合金涂層、抗砂蝕樹(shù)脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片涂層等方面也有應(yīng)用。另一種途徑是采用納米
TBC,即用多層彼此交替的納米氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯
層(YSZ)與Al2O3來(lái)代替單層的MCrAlY+ZrO2,能大大降低導(dǎo)熱系數(shù),可望將葉片耐溫能力提高260℃。
此外,由美國(guó)開(kāi)發(fā)的定向氣相沉積技術(shù)克服了傳統(tǒng)電子束物理氣相沉積中基體必須面對(duì)氣相源的問(wèn)
專(zhuān)題綜述
題,通過(guò)引入多源氣相沉積以及空心陰極等離子激活的方法,可控制涂層的成分及形貌。這就是說(shuō),可以通過(guò)沉積多層的不同材料而獲得致密的晶體涂層,成分及形貌在表面上也可形成梯度變化,最終可將金屬原子以薄層沉積在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上,進(jìn)而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的壽命。
以前我國(guó)研制的熱障涂層的降溫效果僅達(dá)到
80℃,某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ級(jí)渦輪葉片的榫齒延伸曾發(fā)
生斷裂,采用鈷鉻鎳熱噴耐磨涂層有效排除了這一故障。某型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)Ⅰ級(jí)導(dǎo)向器葉片(K403合金)采用的ZrO2熱障涂層曾存在涂層剝落較嚴(yán)重的問(wèn)題。目前,我國(guó)熱障涂層使用的最高溫度可達(dá)1350℃。
2.4其他部件
表面噴丸處理可提高零件的抗疲勞性,如對(duì)某型
渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)匣、某渦軸系列發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、渦輪葉片榫齒都進(jìn)行了表面噴丸處理。對(duì)重要齒輪,如在滲碳齒輪表面(嚙合面)采用了噴丸強(qiáng)化、
鍍銀等措施。為了提高傳動(dòng)軸的耐蝕性能和耐磨性能,常對(duì)軸進(jìn)行鍍鉻、鍍鎳、鍍鎘、鍍銅等處理。為避免鎂合金傳動(dòng)機(jī)匣鑄件發(fā)生接觸腐蝕,除對(duì)其進(jìn)行陽(yáng)極化處理外,也需用涂層作隔離保護(hù)。緊固件如螺栓、螺母、卡圈、鎖片等也采用鍍銀、鍍銅、鍍鋅、鍍鎘等工藝。在工作溫度較高的管接件接頭螺紋處鍍銅,以防止螺紋粘結(jié)。
針對(duì)目前TiMMC復(fù)合材料存在的纖維斷裂以及基體裂紋問(wèn)題,R・R公司與DERA公司合作開(kāi)發(fā)在
SiC纖維增強(qiáng)鈦上涂以Ti涂層的方法來(lái)解決纖維的移
位及斷裂問(wèn)題,加強(qiáng)纖維在制造及使用中的穩(wěn)定性。而據(jù)普惠公司的報(bào)道,在F119尾噴管處采用了一種具有隱身性的陶瓷涂層,壽命達(dá)幾千小時(shí)。在透明涂層方面,美國(guó)已開(kāi)發(fā)出導(dǎo)電涂層及平顯線(xiàn)路用透明碳納米管涂覆液。Eikos公司的專(zhuān)利產(chǎn)品Invisicon透明導(dǎo)體(納米絲)是一種產(chǎn)量高、
成本低的薄、柔性及耐久導(dǎo)電涂層技術(shù),將有可能代替銦錫氧化物,用于軍機(jī)座艙蓋的透明導(dǎo)電聚合物涂層。
我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)利用液相反應(yīng)法研制的一種成本低、工藝簡(jiǎn)單的防氧化涂層,應(yīng)用于航空高溫碳 ̄碳(C/C)復(fù)合材料,使其工作溫度和持續(xù)時(shí)間達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平(1600℃時(shí)大于160h,1650℃時(shí)大于30h,1700℃時(shí)大于10h),而且有良好的抗熱振性,受到廣泛關(guān)注。
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