管坯
年第期??航空制造技术专题综述航空发动机的表面涂层技术 总参谋部陆航部株洲地区军事代表室彭秀云摘要结合实际应用对发动机上各主要部件所使用的涂层及其工艺与性能特点进行了描述并介绍了目前航空发动机涂层技术的分类和使用情随着航空况。关键词表面涂层涂覆工艺航空发动机
发动机技术不断发展和性能不断提高其工作温度也逐步升高目前先进发动机的压气机出口温度已达到℃燃烧室及加力燃烧室的工作温度接近℃涡轮进口温度达到℃。但这些部位的零件所用的基体材料的性能和所能承受的温度有限不可能完全满足要求为了提高其寿命、可靠性和抗疲劳等性能使用各种涂层是一种有效方法。航空发动机使用的涂层分类保护涂层。抗磨、耐冲击等保护涂层可对管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件起到改善工作条件、提高可靠性和延长使用寿命的作用。如为提高冠状涡轮工作叶片叶冠接触面的耐磨性可在叶冠接触面上喷涂或硬质合金等耐磨材料。封严与密封涂层。为限制转子、静子之间的间隙不使气流泄漏在静子、转子叶片或封严蓖齿上涂覆软、硬涂层用磨损涂层的方法来保持封严。橡胶涂层。航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负荷状态在振动作用下最容易被破坏所以叶片的减振非常重要。叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动。为保证发动机安全工作压气机叶片振动不能过大为此除了在叶片设计上采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施外有的国外发动机正采用橡胶涂层即将橡胶涂层涂于压气机叶片燕尾槽底部然后将叶片装入压气盘的燕尾槽内。橡胶涂层属于高弹性分子材料振动时可吸收能量有明显的阻 尼作用其密封性好使用寿命长且容易更换便于维护。热障涂层。现代航空发动机的涡轮进口温度高达℃但第三代单晶材料只能承受℃的温度用复杂的气冷方式冷效也只有℃左右还有℃的差距只能靠发展热涂层技术来解决这一问题。热障涂层在燃烧室中的应用已有多年历史近年来热障涂层已成为涡轮叶片设计和维护的关键技术之一如在 、、、、等涂层发动机的工作叶片和导向叶片上就应用了、、、等涂层材料。大量试验证明热障涂层热变形小、耐蚀、耐磨、密封性好最高可将叶片工作温度提高℃用在发动机高温部件上可提高发动机效率和延长发动机使用寿命。美国普惠公司在和发动机的风扇叶片、压气机叶片、燃烧室、涡轮叶片等处采用了热障涂层目前热障涂层已发展到了第代。英国??公司的 发动机有多个零件使用了热障涂层尤其是在第级涡轮叶片的叶冠上均使用了热障涂层从而改善了叶片的可靠性提高了发动机功率。发动机主要部件所使用的涂层及工艺压气机叶片目前压气机叶片广泛采用的防护工艺有种涂层。涂层与美国的 涂层属于同一类型的中温防护涂层能有效解决钢叶片在℃以下各种复杂环境中的腐蚀问题。涂层分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类其中Ⅰ类为不导电涂层Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类为导电涂层也就是通常所说的牺牲性阳极防护涂层对钢叶片具有优越的电化学腐蚀防护能力。系列涂层的缺点是比较松软抗气流冲刷能力差。 是一种由复合盐组成的涂料具有良好的渗透性和结合力形成涂层后可改善涂层粗糙度具_------航空制造技术??年第期专题综述有更高强度和硬度抗气流
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冲刷能力明显提高。因此在压气机叶片上采用底层 封闭面层形成的复合涂层是一种较理想方法。 扩散镀层。 镀层是在叶片上先镀上μ厚的层作为不锈钢基体的阴极保护层再在上面镀μ厚的层。在℃温度
下进行扩散处理形成 合金层和γ 金属间化合物该合金对不锈钢基体来说为阳极合金镀层具有牺牲性阳极保护能力。 扩散镀层对叶片具有很好的防护作用能在一定程度上降低叶片振动疲劳。低温渗复合
涂层。涂层分两步进行即先进行低温渗铝而后再涂硅酸盐。渗铝层为叶片基体提供牺牲性阳极保护硅酸盐涂层为障碍性隔离保护涂层。从工艺技术来看它是由热处理渗层和表面涂层相结合的复合防护层具有很高的防腐蚀能力已在国内外得到普遍应用。叶片榫头防护涂层。压气机叶片榫头的工作条件十分恶劣不但要承受叶片的离心负荷而且还要承受很大的挤压应力、振动应力和微振磨损。为了提高叶片榫头的使用可靠性目前广泛采用保护涂层或镀层例如我国某涡喷系列发动机的钛合金转子叶片榫头采用镀银某涡扇发动机的钛合金风扇叶片榫头采用干膜润滑剂钛合金转子叶片榫头也采用镀银我国某型涡扇发动机的合金转子叶片榫头采用喷丸强化钛合金叶片采用 等离子喷涂涂层。上述各类涂层对榫头的主要作用是防止榫头接触面产生微振磨损和微动疲劳避免榫头在工作过程中折断对叶片起阻尼减振作用防止榫头与盘榫槽接触面粘结便于发动机分解和维修增加榫头与榫槽的接触面积减小接触应力使榫头受力更均匀。燃烧室随着发动机推重比的提高燃烧室的工作温度也在不断提高。燃烧室表面涂层的目的是提高零件的抗氧化、耐热、耐磨和密封性能。可采用陶瓷涂层、氧化锆涂层、耐磨涂层和镍石墨涂层等。陶瓷涂层是抗氧化涂层如我国某些涡喷系列发动机火焰筒壁内外表面、加力燃烧室的火焰稳定器、调节片和密封片等均涂有陶瓷涂层。氧化锆涂层是隔热涂层如加力燃烧室后部工作温度高易产生热裂纹和烧蚀改进后的涡喷发动机在此部位的隔热屏上喷涂了氧化锆涂层后大大减少了此类电气化铁路
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故障的产生英国发动机燃烧室衬套表面采用了热喷氧化锆涂层防止了因热变形而产生的裂纹极大提高了燃烧室使用寿命。 涂层是耐磨涂层涂在火焰筒外套后安装边挂火焰筒处提高了零件的使用寿命。还有个别的燃烧室零件采用了表面镀铬、镀镍、镀银、镀锌和涂漆或高温磁漆工艺。涡轮叶片涡轮导向器叶片的工作温度比涡轮叶片更高目前国内在役的涡喷、涡扇发动机的寿命一般小于很难用一种材料同时满足叶片长期工作所需的高温蠕变强度和抗高温氧化腐蚀性能通常通过复杂合金化来提高基体材料的耐高温强度用表面涂层来提高防护性能。目前用于航空发动机涡轮工作叶片和导向器叶片的涂层工艺主要有四大类铝化物扩散涂层。采用化学热处理方法如粉末包埋法、料浆法、气相法等使叶片表层获得富铝层的质量分数在以上厚度μ表面生成保护膜膜在破裂后有较好的自愈性能满足涡轮叶片的防护要求是一种工艺简单、费用低廉、工艺稳定的扩散涂层方法。我国各型涡喷发动机的的涡轮导向器叶片都采用此法防护。但由于铝与基体材料中的镍形成金属间化合物使渗铝层变脆容易崩裂、剥落。研究人员曾发现工作寿命超过的叶片在渗铝层与基体界面上会生成有害的针状σ相因此渗铝层的厚度和使用寿命应适当控制。改性铝化物扩散涂层。为弥补渗铝层的以上不足世纪年代末改性铝化物扩散涂层被开发出来如 、 、 、 、 、 、 等。其中性能最优的是 改性扩散涂层同时这种涂层在工业燃气轮机中也获得了广泛应用使燃机工作寿命可超过。我国在年代引进的法国全套专利技术生产的某型涡轴发动机的导向器叶片采用 共渗防护涂层要求涂层厚度为μ实测值为μ防护效果能满足使用要求。但零件经固溶渗层后合金的γ′相粗大明显超过法国件粗大的γ′相对基体的强化效果降低对室温拉伸性能造成了影响。 共渗应用较广泛如我国多种型号的发动机叶片均采用 共渗涂层。用该工艺获得的涂层性
能稳定能满足使用要求但涂层塑性较差所以厚度不宜太大实际控制在μ左右。 共渗在俄罗斯Л Φ发动机上被应用但工艺比较复杂。包覆涂层。包覆涂层是先进的高温防护涂层其典型的成分为其质量分数_------年第期??航空制造集成供应链管理系统
技术专题综述为、、或其他活性元素、等小于。包覆涂层的特点是成分兼顾了抗氧化腐蚀性和塑性因为它的塑性比扩散涂层好故厚度允许大些通常为μ左右。目前制备包覆涂层的工艺方法有物理气相沉积电子束物理气相沉积、磁控溅射、真空电弧离子镀和等离子喷涂低压等离子喷涂、氩屏蔽等离子喷涂。某型涡喷发动机合金Ⅱ级导向器叶片采用磁控溅射和真空电弧离子镀工艺制备和包覆涂层其中真空电弧离子镀 涂层已投入批量生产。某型涡喷发动机合金涡轮工作叶片采用的磁控溅射涂层某型涡轴发动机Ⅰ级涡轮工作叶片采用的低压等离子喷涂六元素涂层都取得了良好的效果。目前涂层存在的主要问题是涂层有局部剥落现象涂层厚度不均匀和粗糙度不够理想等。热障涂层。热障涂层是复合性涂层其结构在各种涂层中最为复杂用作为底层再在其上喷涂用或稳定化的作面层。有资料报道涂覆隔热涂层后叶片金属温度降低℃冷却气流减少。由于该涂层的陶瓷材料较脆目前只能用在导向器叶片上。其喷涂工艺主要有等离子喷涂及电子束气相沉积两种方法两者各有优势。电子束气相可形成柱状组织但导热系数较高等离子喷涂的导热系数较低但易剥落因此热障涂层的广泛应用受到限制。解决热喷涂工艺存在问题的一种途径是采用微叠层热障涂层用的是溶胶 凝胶法将氧化钇稳定的氧化锆层与层交替涂覆形成微叠层复合材料以代替较早的热障涂层。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变
抗力利用高温金属作韧化元素从而很好地克服了金属间化合物的脆性。目前采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料包括 、 以及 等。除用于叶片外微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用。另一种途径是采用纳米即用多层彼此交替的纳米氧化钇稳定的氧化锆层与来代替单层的能大大降低导热系数可望将叶片耐温能力提高℃。此外由美国开发的定向气相沉积技术克服了传统电子束物理气相沉积中基体必须面对气相源的问题通过引入多源气相沉积以及空心阴极等离子激活的方法可控制涂层的成分及形貌。这就是说可以通过沉积多层的不同材料而获得致密的晶体涂层成分及形貌在表面上也可形成梯度变化最终可将金属原子以薄层沉积在航空涡轮发动机叶片上进而延长发动机叶片的寿命。以前我国研制的热障涂层的降温效果仅达到℃某型涡喷发动机Ⅰ级涡轮叶片的榫齿延伸曾发生断裂采用钴铬镍热喷耐磨涂层有效排除了这一故障。某型涡喷发动机Ⅰ级导向器叶片合金采用的热障涂层曾存在涂层剥落较严重的问题。目前我国热障涂层使用的最高温度可达℃。其他部件表面喷丸处理可提高零件的抗疲劳性如对某型涡扇发动机涡轮机匣、某涡轴系列发动机涡、涡轮叶片榫齿都进行了表面喷丸处理。对重要齿轮如在渗碳齿轮表面啮合面采用了喷丸强化、镀银等措施。为了提高传动轴的耐蚀性能和耐磨性能常对轴进行镀铬、镀镍、镀镉、镀铜等处理。为避免镁合金传动机匣铸件发生接触腐蚀除对其进行阳极化处理外也需用涂层作隔离保护。紧固件如螺栓、螺母、卡圈、锁片等也采用镀银、镀铜、镀锌、镀镉等工艺。在工作温度较高的管接件接头螺纹处镀铜以防止螺纹粘结。针对目前复合材料存在的纤维断裂以及基体裂纹问题??公司与公司合作开发在纤维增强钛上涂以涂层的方法来解决
纤维的移位及断裂问题加强纤维在制造及使用中的稳定性。而据普惠公司的报道在尾喷管处采用了一种具有隐身性的陶瓷涂层寿命达几千小时。在透明涂层方面美国已开发出导电涂层及平显线路用透明碳纳米管涂覆液。公司的专利产品 透明导体纳米丝是一种产量高、成本低的薄、柔性及耐久导电涂层技术将有可能代替铟锡氧化物用于军机
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座舱盖的透明导电聚合物涂层。我国西北工业大学利用液相反应法研制的一种成本低、工艺简单的防氧化涂层应用于航空高温碳 碳复合材料使其工作温度和持续时间达到国内领先水平℃时大于℃时大于℃时大于而且有良好的抗热振性受到广泛关注。参考文献中国军工材料体系编委会中国军工材料体系航空发动机北京国防工业出版社责编依然_------
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