表面涂層技術在航空發(fā)動機中的應用

1、表面涂層技術表面涂層技術在航空發(fā)動機中的應用在航空發(fā)動機中的應用周志偉周志偉 南京航空航天大學南京航空航天大學 材料學院材料學院表面涂層技術在航空發(fā)動機中的應用表面涂層技術在航空發(fā)動機中的應用1 航空發(fā)動機簡介2 航空發(fā)動機表面涂層技術分類3 航空發(fā)動機主要部件所用涂層及其工藝1.1 航空發(fā)動機簡介1.1 航空發(fā)動機分類 渦輪噴氣發(fā)動機 渦輪風扇發(fā)動機 渦輪螺旋槳 渦輪軸（直升機） 燃氣渦輪發(fā)動機 活塞式發(fā)動機其他類型發(fā)動機1.2 航空發(fā)動機結構1.2 航空發(fā)動機結構渦輪噴氣發(fā)動機結構圖渦輪風扇發(fā)動機結構圖渦輪軸發(fā)動機結構圖2.航空發(fā)動機表面涂層技術分類熱噴涂涂層在飛機發(fā)動機中的應用示意圖 保

2、護涂層 封嚴密封涂層 橡膠涂層 熱障涂層2.航空發(fā)動機表面涂層技術分類2.1保護涂層 管路、附件、葉片、機匣、帽罩等發(fā)動機構件直接和大氣接觸,容易受到大氣中水分、塵埃、鹽、二氧化硫的侵蝕。 渦輪葉片和燃燒室受到高溫燃氣沖刷,在熱應力以及燃氣中S 和O 元素的作用下發(fā)生化學反應，最終造成微損傷, 會產生微裂紋,微裂紋擴展可導致構件斷裂。主要保護部位主要保護部位抗磨、抗沖擊涂層：葉片榫頭和盤榫槽之間涂的耐磨涂層高壓壓氣機葉片型面上的有機硅耐磨涂層壓氣機葉片阻尼凸臺上的葉片振動涂層渦輪葉片防熱鹽涂層渦輪葉片葉冠接觸面硬質合金耐磨涂層 抗磨、抗沖擊涂層等保護涂層可對構件起到改善工作條件、提高可靠性和延

3、長使用壽命的作用。封嚴涂層 為限制轉子、靜子之間的間隙, 不使氣流泄漏, 在靜子、轉子葉片或封嚴蓖齒上涂覆軟、硬涂層, 用磨損涂層的方法來保持封嚴。密封涂層 有的靜子葉片是插入靜子內環(huán)的,二者的間隙造成氣流損失,這時可采用密封涂層封住,這要求密封涂層耐溫、抗振、柔軟,長期不老化?？赡ズ姆鈬劳繉?發(fā)動機的壓氣機或渦輪機的機匣上，Ni-石墨、Ni-PTFE等減摩復合涂層。2.2密封封嚴涂層部分封嚴、密封涂層的概況部分封嚴、密封涂層的概況 葉片振動的形式包括強迫振動、顫振、旋轉失速和隨機振動。 航空發(fā)動機壓氣機葉片在工作中處于高離心負荷狀態(tài)，在振動作用下最易被破壞。2.3橡膠涂層橡膠涂層屬于高彈性分

4、子材料, 振動時可吸收能量, 有明顯的阻尼作用, 其密封性好, 使用壽命長, 且容易更換, 便于維護。 在葉片結構設計上采取加凸尖、減振環(huán)、阻尼塊、帶冠葉片、寬弦葉片、加強肋、削尖等減振措施。 采用橡膠涂層,即將橡膠涂層涂于壓氣機葉片燕尾槽底部,然后將葉片裝入壓氣機盤的燕尾槽內。減振措施部分橡膠涂層概況部分橡膠涂層概況2.4熱障涂層熱障涂層(Thermal Barrier Coating)是一層復合涂層復合涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，熱障涂層對于基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其制成的器件(如發(fā)動機渦輪葉片) 能在高溫下運行，并且可以提高器件(發(fā)動機等)熱效率達到60%以

5、上。 現代航空發(fā)動機的渦輪進口溫度高達1 650 1 750, 但第三代單晶材料只能承受1 100的溫度; 用復雜的氣冷方式, 冷效也只有400左右, 還有100200的差距, 只能靠發(fā)展熱涂層技術來解決這一問題。熱障涂層在燃燒室中的應用已有30 多年歷史, 近年來, 熱障涂層已成為渦輪葉片設計和維護的關鍵技術之一。部分熱障涂層的概況部分熱障涂層的概況 壓氣機 燃燒室 渦輪葉片 其他部件3.航空發(fā)動機主要部件所用涂層及其工藝 熱噴涂 熱擴滲 等離子噴涂 電子束氣相沉積 表面合金化 磁控濺射 真空電弧離子鍍3.1壓氣機葉片直接與大氣接觸，腐蝕環(huán)境較差；后幾級葉片接近燃燒室工作溫度較高。WZL 涂

6、層NiCd （鎳-鎘）擴散鍍層Al2S 低溫滲Al 復合涂層葉片榫頭防護涂層鈦合金表面合金化阻燃技術3.1壓氣機葉片目前,壓氣機葉片采用的防護工藝WZL 涂層屬于中溫防護涂層, 通常為導電涂層, 也就是通常所說的犧牲性陽極防護涂層, 對鋼葉片具有優(yōu)越的電化學腐蝕防護能力。WZL8 是一種由復合鹽組成的涂料, 具有良好的滲透性和結合力, 形成涂層后, 可改善涂層粗糙度, 具有更高強度和硬度, 抗氣流沖刷能力明顯提高。因此,在壓氣機葉片上采用WZL 底層+WZL8 封閉面層形成的復合涂層是一種較理想方法。WZL 涂層NiCd 鍍層是在葉片上先鍍上812m 厚的Ni 層( 作為不銹鋼基體的陰極保護層

7、) , 再在上面鍍35m 厚的Cd 層。在350溫度下進行1h 擴散處理, 形成NiCd 合金層和Cd4Ni 金屬間化合物。該合金對不銹鋼基體來說為陽極合金鍍層, 具有犧牲性陽極保護能力。NiCd 擴散鍍層Al2S 涂層分兩步進行：先進行低溫滲鋁, 而后再涂硅酸鹽。滲鋁層為葉片基體提供犧牲性陽極保護, 硅酸鹽涂層為障礙性隔離保護涂層。從工藝技術來看, 它是由熱處理滲層和表面涂層相結合的復合防護層, 具有很高的防腐蝕能力,已在國內外得到普遍應用。Al2S 低溫滲Al 復合涂層為了提高葉片榫頭的可靠性, 目前廣泛采用保護涂層或鍍層。我國某渦噴系列發(fā)動機的鈦合金轉子葉片榫頭采用鍍銀; 某渦扇發(fā)動機的

8、鈦合金風扇葉片榫頭采用干膜潤滑劑, 鈦合金轉子葉片榫頭也采用鍍銀; 我國某型渦扇發(fā)動機高溫合金轉子葉片榫頭采用噴丸強化。葉片榫頭防護涂層鈦合金表面合金化阻燃技術航空燃氣渦輪發(fā)動機，鈦合金用作旋轉部件時，容易發(fā)生鈦火事故，這種情況主要由旋轉葉片與發(fā)動機箱體內壁摩擦導致葉片尖端局部受熱而引起。在高壓壓氣機中，鈦著火約510 S后就能將鈦機匣燒穿。鈦合金的表面合金化是指通過擴散改變鈦合金基體表面層的成分和組織的材料保護技術。其中，利用雙層輝光等離子滲金屬技術對鈦合金進行表面合金化是提高其阻燃性能的重要工藝。雙輝等離子滲金屬技術的基本原理:在使工件和源極分別產生所謂雙層輝光放電現象。輝光放電所產生的氬

9、離子轟擊，使源極濺射出合金元素并飛向工件，而工件經離子轟擊被加熱到高溫。合金元素借助于轟擊吸附和擴散而滲入工件表面，從而形成含有欲滲合金元素的合金層。雙輝等離子表面合金化技術與整體阻燃鈦合金相比，表面阻燃鈦合金具有以下特點： 節(jié)約天然資源，節(jié)約貴重金屬元素表面合金成分可控合金元素含量可以在大范圍內變化合金滲層厚度可以在大范圍內變化合金元素的品種數不受限制，很容易進行多元共滲進行大面積處理3.2燃燒室陶瓷涂層是抗氧化涂層, 如我國某些渦噴系列發(fā)動機火焰筒壁內外表面、加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器、調節(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, 易產生熱裂紋和燒蝕,

10、改進后的渦噴發(fā)動機在此部位的隔熱屏上噴涂了氧化鋯涂層后, 大大減少了此類故障的產生;CoCrW 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。燃燒室表面涂層的目的：提高零件的抗氧化、耐熱、耐磨和密封性能。3.2燃燒室還有個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。3.3渦輪葉片3.3渦輪葉片鋁化物擴散涂層改性鋁化物擴散涂層包覆涂層熱障涂層目前目前, 用于航空發(fā)動機渦輪工作葉片和導向器葉片的涂層工藝主用于航空發(fā)動機渦輪工作葉片和導向器葉片的涂層工藝主要有四大類要有四大類:3.3渦輪葉片采用化學熱處理方法, 如粉末包埋法、料漿法、氣相法等,

11、使葉片表層獲得富鋁層(Al 的質量分數在30%以上) , 厚度540m, 表面生成Al2O3 保護膜, 能滿足渦輪葉片的防護要求, 是一種工藝簡單、費用低廉、工藝穩(wěn)定的擴散涂層方法。鋁化物擴散涂層我國各型渦噴發(fā)動機的80%的渦輪導向器葉片都采用此法防護。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)現工作壽命超過700h 的葉片在滲鋁層與基體界面上會生成有害的針狀相。因此, 滲鋁層的厚度和使用壽命應適當控制。為彌補滲鋁層的以上不足, 20 世紀60 年代末改性鋁化物擴散涂層被開發(fā)出來, 如CrAl、SiAl、TiAl、PtAl、PdAl、Ti

12、SiAl、NiCrCrAl 等。其中性能最優(yōu)的是PtAl 改性擴散涂層。我國在80 年代引進的法國全套專利技術生產的某型渦軸發(fā)動機的導向器葉片采用CrAl 共滲防護涂層, 要求涂層厚度為3060m, 實測值為4053m, 防護效果能滿足使用要求。改性鋁化物擴散涂層目前制備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) 等離子噴涂( 低壓等離子噴涂、氬屏蔽等離子噴涂)。包覆涂層包覆涂層是先進的高溫防護涂層,其典型的成分為MCrAlY。包覆涂層的特點是成分兼顧了抗氧化腐蝕性和塑性抗氧化腐蝕性和塑性, 因為它的塑性比擴散涂層好, 故厚度允許大些, 通

13、常為100m 左右。 某型渦噴發(fā)動機的IC6 合金級導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NiCoCrAlY 涂層已投入批量生產。 某型渦噴發(fā)動機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)動機級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。包覆涂層熱障涂層熱障涂層是復合性涂層, 其結構在各種涂層中最為復雜, 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。有資料報道, 涂覆0.127mm 隔熱涂層后,

14、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, 目前只能用在導向器葉片上。等離子噴涂的導熱系數較低, 但易剝落。解決熱噴涂工藝存在問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合材料以代替較早的熱障涂層。其噴涂工藝主要有等離子噴涂等離子噴涂及電子束氣相沉積電子束氣相沉積兩種方法, 兩者各有優(yōu)勢。熱障涂層以前我國研制的熱障涂層的降溫效果僅達到80, 某型渦噴發(fā)動機級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。目前, 我國熱障涂層使用的最高溫度可達1 350。3.4其他部件尾噴管渦輪盤渦輪盤齒輪齒輪其他表面工程技術： 激光熔敷 激光沖擊強化參考文獻：參考文獻：【1】彭秀云.航空發(fā)動機的表面涂層技術J. 航空制造技術，2007(1)：93-95.【2】郝兵.李成剛.表面涂層技術在航空發(fā)動機上的應用J. 航空發(fā)動機 ，2004(4):38-40.【3】徐重.張高會.張平則.張艷梅.池成忠.袁慶龍J.雙輝等離子表面冶金技術