表面涂层技术在航空发动机中的应用

表面涂层技术在航空发动机中的应用周志伟南京航空航天大学材料学院表面涂层技术在航空发动机中的应用1•航空发动机简介2•航空发动机表面涂层技术分类3•航空发动机主要部件所用涂层及其工艺1.1航空发动机简介1.1航空发动机分类•涡轮喷气发动机•涡轮风扇发动机•涡轮螺旋桨•涡轮轴（直升机）燃气涡轮发动机活塞式发动机其他类型发动机1.2航空发动机结构1.2航空发动机结构涡轮喷气发动机结构图涡轮风扇发动机结构图涡轮轴发动机结构图2.航空发动机表面涂层技术分类热喷涂涂层在飞机发动机中的应用示意图•保护涂层•封严密封涂层•橡胶涂层•热障涂层2.航空发动机表面涂层技术分类2.1保护涂层•管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件直接和大气接触,容易受到大气中水分、尘埃、盐、二氧化硫的侵蚀。•涡轮叶片和燃烧室受到高温燃气冲刷,在热应力以及燃气中S和O元素的作用下发生化学反应，最终造成微损伤,会产生微裂纹,微裂纹扩展可导致构件断裂。主要保护部位抗磨、抗冲击涂层：叶片榫头和盘榫槽之间涂的耐磨涂层高压压气机叶片型面上的有机硅耐磨涂层压气机叶片阻尼凸台上的叶片振动涂层涡轮叶片防热盐涂层涡轮叶片叶冠接触面硬质合金耐磨涂层抗磨、抗冲击涂层等保护涂层可对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。封严涂层为限制转子、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。密封涂层有的静子叶片是插入静子内环的,二者的间隙造成气流损失,这时可采用密封涂层封住,这要求密封涂层耐温、抗振、柔软,长期不老化。可磨耗封严涂层发动机的压气机或涡轮机的机匣上，Ni-石墨、Ni-PTFE等减摩复合涂层。2.2密封封严涂层部分封严、密封涂层的概况部分封严、密封涂层的概况•叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动。•航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负荷状态，在振动作用下最易被破坏。2.3橡胶涂层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。•在叶片结构设计上采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施。•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机盘的燕尾槽内。减振措施部分橡胶涂层概况2.4热障涂层热障涂层(ThermalBarrierCoating)是一层复合涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。现代航空发动机的涡轮进口温度高达1650～1750℃,但第三代单晶材料只能承受1100℃的温度;用复杂的气冷方式,冷效也只有400℃左右,还有100～200℃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30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。部分热障涂层的概况•压气机•燃烧室•涡轮叶片•其他部件3.航空发动机主要部件所用涂层及其工艺•热喷涂•热扩渗•等离子喷涂•电子束气相沉积•表面合金化•磁控溅射•真空电弧离子镀3.1压气机叶片直接与大气接触，腐蚀环境较差；后几级叶片接近燃烧室工作温度较高。•WZL涂层•Ni~Cd（镍-镉）扩散镀层•Al2S低温渗Al复合涂层•叶片榫头防护涂层•钛合金表面合金化阻燃技术3.1压气机叶片目前,压气机叶片采用的防护工艺•WZL涂层属于中温防护涂层,通常为导电涂层,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。•WZL~8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,具有更高强度和硬度,抗气流冲刷能力明显提高。•因此,在压气机叶片上采用WZL底层+WZL~8封闭面层形成的复合涂层是一种较理想方法。WZL涂层Ni~Cd镀层是在叶片上先镀上8～12μm厚的Ni层(作为不锈钢基体的阴极保护层),再在上面镀3～5μm厚的Cd层。在350℃温度下进行1h扩散处理,形成Ni~Cd合金层和γ~Cd4Ni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。Ni~Cd扩散镀层Al2S涂层分两步进行：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。Al2S低温渗Al复合涂层•为了提高叶片榫头的可靠性,目前广泛采用保护涂层或镀层。•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高温合金•转子叶片榫头采用喷丸强化。叶片榫头防护涂层钛合金表面合金化阻燃技术航空燃气涡轮发动机，钛合金用作旋转部件时，容易发生钛火事故，这种情况主要由旋转叶片与发动机箱体内壁摩擦导致叶片尖端局部受热而引起。在高压压气机中，钛着火约5～10S后就能将钛机匣烧穿。钛合金的表面合金化是指通过扩散改变钛合金基体表面层的成分和组织的材料保护技术。其中，利用双层辉光等离子渗金属技术对钛合金进行表面合金化是提高其阻燃性能的重要工艺。双辉等离子渗金属技术的基本原理:在使工件和源极分别产生所谓双层辉光放电现象。辉光放电所产生的氩离子轰击，使源极溅射出合金元素并飞向工件，而工件经离子轰击被加热到高温。合金元素借助于轰击吸附和扩散而渗入工件表面，从而形成含有欲渗合金元素的合金层。双辉等离子表面合金化技术与整体阻燃钛合金相比，表面阻燃钛合金具有以下特点：•节约天然资源，节约贵重金属元素•表面合金成分可控•合金元素含量可以在大范围内变化•合金渗层厚度可以在大范围内变化•合金元素的品种数不受限制，很容易进行多元共渗•进行大面积处理3.2燃烧室•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,大大减少了此类故障的产生;•Co~Cr~W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。燃烧室表面涂层的目的：提高零件的抗氧化、耐热、耐磨和密封性能。3.2燃烧室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。3.3涡轮叶片3.3涡轮叶片•铝化物扩散涂层•改性铝化物扩散涂层•包覆涂层•热障涂层目前,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:3.3涡轮叶片•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(Al的质量分数在30%以上),厚度5～40μm,表面生成Al2O3保护膜,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。铝化物扩散涂层我国各型涡喷发动机的80%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NiAl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700h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。为弥补渗铝层的以上不足,20世纪60年代末改性铝化物扩散涂层被开发出来,如Cr~Al、Si~Al、Ti~Al、Pt~Al、Pd~Al、Ti~Si~Al、NiCr~CrAl等。其中性能最优的是Pt~Al改性扩散涂层。我国在80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Cr~Al共渗防护涂层,要求涂层厚度为30～60μm,实测值为40～53μm,防护效果能满足使用要求。改性铝化物扩散涂层目前制备MCrAlY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)等离子喷涂(低压等离子喷涂、氩屏蔽等离子喷涂)。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MCrAlY。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100μm左右。•某型涡喷发动机的IC6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NiCrAlYSi和NiCoCrAlY包覆涂层,其中真空电弧离子镀NiCo~CrAlY涂层已投入批量生产。•某型涡喷发动机DZ22合金涡轮工作叶片采用的磁控溅射NiCrAlY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NiCoCrAlYTa六元素涂层都取得了良好的效果。包覆涂层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MCrAlY作为底层,再在其上喷涂用Al2O3或MgO稳定化的ZrO2作面层。有资料报道,涂覆0.127mm隔热涂层后,叶片金属温度降低189℃,冷却气流减少50%。由于该涂层的陶瓷材料较脆,目前只能用在导向器叶片上。等离子喷涂的导热系数较低,但易剥落。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(YSZ)与ZrSiO4层交替涂覆形成微叠层复合材料以代替较早的热障涂层。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。热障涂层以前我国研制的热障涂层的降温效果仅达到80℃,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。目前,我国热障涂层使用的最高温度可达1350℃。3.4其他部件尾喷管涡轮盘齿轮其他表面工程技术：•激光熔敷•激光冲击强化参考文献：【1】彭秀云.航空发动机的表面涂层技术[J].航空制造技术，2007(1)：93-95.【2】郝兵.李成刚.表面涂层技术在航空发动机上的应用[J].航空发动机，2004(4):38-40.【3】徐重.张高会.张平则.张艳梅.池成忠.袁庆龙[J].双辉等离子表面冶金技术的新进展.中国工程科学，2005（6）：73-78【4】王文波.贺志勇.王振霞.徐重[J].双辉等离子表面合金化技术形成表面阻燃钛合金的展望.世界科技研究与发展，2005（6）：37-40•涡扇发动机涡轮机匣、某涡轴系列发动机涡轮盘、涡轮叶片榫齿都进行了表面喷丸处理；•尾喷管采用热障涂层；•在渗碳齿轮表面(啮合面)采用了喷丸强化、镀银等措施；•常对传动轴进行镀铬、镀镍、镀镉、镀铜等处理；•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。