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航空發動機的表面涂層技術

文章發布于:2018-05-23 作者:興弘新材料 瀏覽次數:

航空發動機的表面涂層技術

SurfaceCoatingTechnologyofAeroengine
總參謀部陸航部株洲地區軍事代表室

彭秀云

[摘要]結合實際應用,對發動機上各主要部件所使用的涂層及其工藝與性能特點進行了描述,并介紹了目前航空發動機涂層技術的分類和使用情況。
關鍵詞:表面涂層

涂覆工藝

航空發動機
[ABSTRACT]Withcombiningtheactualappli ̄

cationofthecoatingsinthemaincomponentsoftheaeroengine,theprocessandcharacteristicsarede ̄scribed,whiletheclassificationandusageofthecoatingtechnologyusedinaeroengineinrecentyearsareintro ̄duced.

Keywords:SurfacecoatingCoatingtechnology
Aeroengine

隨著航空發動機技術不斷發展和性能不斷提高,其工作溫度也逐步升高,目前先進發動機的壓氣機出口溫度已達到650℃,燃燒室及加力燃燒室的工作溫度接近2000℃,渦輪進口溫度達到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航空發動機使用的涂層分類
(1)保護涂層。

抗磨、耐沖擊等保護涂層可對管路、附件、葉片、機匣、帽罩等發動機構件起到改善工作條件、提高可靠性和延長使用壽命的作用。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硬質合金等耐磨材料。

(2)封嚴與密封涂層。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。

(3)橡膠涂層。
航空發動機壓氣機葉片在工作中處于高離心負荷狀態,在振動作用下最容易被破壞,所以葉片的減振非常重要。葉片振動的形式包括強迫振動、顫振、旋轉失速和隨機振動。為保證發動機安全工作,壓氣機葉片振動不能過大,為此,除了在葉片設計上采取加凸尖、減振環、阻尼塊、帶冠葉片、寬弦葉片、加強

肋、削尖等減振措施外,有的國外發動機正采用橡膠涂層,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盤的燕尾槽內。橡膠涂層屬于高彈性分子材料,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。

(4)熱障涂層。現代航空發動機的渦輪進口溫度高達1650~1750℃,但第三代單晶材料只能承受1100℃的溫度;用復雜的氣冷方式,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,如在CFM ̄56A、F414、JT9D、

PW2000、PW4000等涂層發動機的工作葉片和導向葉
片上就應用了TBC、PWA265、PWA266、PWA264等涂層材料。大量試驗證明,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℃,用在發動機高溫部件上可提高發動機效率和延長發動機使用壽命。美國普惠公司在JT3D和JT38D發動機的風扇葉片、壓氣機葉片、燃燒室、渦輪葉片等處采用了熱障涂層,目前,熱障涂層已發展到了第3代。英國R・

R公司的Spey發動機有200多個零件使用了熱障涂層,尤其是在第1~3級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,提高了發動機功率。


發動機主要部件所使用的涂層及工藝

2.1
壓氣機葉片

目前,壓氣機葉片廣泛采用的防護工藝有4種:(1)WZL涂層。WZL涂層與美國的Sermetel ̄w涂

層屬于同一類型的中溫防護涂層,能有效解決鋼葉片在600℃以下各種復雜環境中的腐蝕問題。WZL涂層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類,其中Ⅰ類為不導電涂層,Ⅱ、Ⅲ、
Ⅳ類為導電涂層,也就是通常所說的犧牲性陽極防護涂層,對鋼葉片具有優越的電化學腐蝕防護能力。WZL

系列涂層的缺點是比較松軟,抗氣流沖刷能力差。

WZL ̄8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

2007年第6期・航空制造技術93

專題綜述
有更高強度和硬度,抗氣流沖刷能力明顯提高。因此,在1Cr11Ni2W2MoV壓氣機葉片上采用WZL底層+

WZL ̄8封閉面層形成的復合涂層是一種較理想方法。

(2)Ni ̄Cd擴散鍍層。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層),再在上面鍍3~5μm厚的Cd層。在350℃溫度下進行1h擴散處理,形成Ni ̄Cd合金層和γ ̄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。Ni ̄Cd擴散鍍層對葉片具有很好的防護作用,能在一定程度上降低葉片振動疲勞。
(3)Al2S低溫滲Al復合涂層。Al2S涂層分兩步進行,即先進行低溫滲鋁,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。

(4)葉片榫頭防護涂層。

壓氣機葉片榫頭的工作條件十分惡劣,不但要承受葉片的離心負荷,而且還要承受很大的擠壓應力、振動應力和微振磨損。為了提高葉片榫頭的使用可靠性,目前廣泛采用保護涂層或鍍層,例如我國某渦噴系列發動機的鈦合金轉子葉片榫頭采用鍍銀;某渦扇發動機的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;我國某型渦扇發動機的GH4169合金轉子葉片榫頭采用噴丸強化,TA11鈦合金葉片采用Cu-Ni-In等離子噴涂涂層。上述各類涂層對榫頭的主要作用是:防止榫頭接觸面產生微振磨損和微動疲勞,避免榫頭在工作過程中折斷;對葉片起阻尼減振作用;防止榫頭與盤榫槽接觸面粘結,便于發動機分解和維修;增加榫頭與榫槽的接觸面積,減小接觸應力,使榫頭受力更均勻。
2.2燃燒室

隨著發動機推重比的提高,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。可采用陶瓷涂層、氧化鋯涂層、耐磨涂層和鎳石墨涂層等。陶瓷涂層是抗氧化涂層,如我國某些渦噴系列發動機火焰筒壁內外表面、加力燃燒室的火焰穩定器、調節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,改進后的渦噴發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;英國RB211發動機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生的
94

航空制造技術・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

渦輪導向器葉片的工作溫度比渦輪葉片更高,目前

國內在役的渦噴、渦扇發動機的壽命一般小于1000h,很難用一種材料同時滿足葉片長期工作所需的高溫蠕變強度和抗高溫氧化腐蝕性能,通常通過復雜合金化來提高基體材料的耐高溫強度,用表面涂層來提高防護性能。目前,用于航空發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:
(1)鋁化物擴散涂層。采用化學熱處理方法,如粉末包埋法、料漿法、氣相法等,使葉片表層獲得富鋁層(Al的質量分數在30%以上),厚度5~40μm,表面生成

Al2O3保護膜,膜在破裂后有較好的自愈性,能滿足渦

輪葉片的防護要求,是一種工藝簡單、
費用低廉、工藝穩定的擴散涂層方法。我國各型渦噴發動機的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,使滲鋁層變脆,容易崩裂、剝落。研究人員曾發現工作壽命超過700h的葉片在滲鋁層與基體界面上會生成有害的針狀σ相,因此,滲鋁層的厚度和使用壽命應適當控制。

(2)改性鋁化物擴散涂層。

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出來,如Cr ̄Al、Si ̄Al、Ti ̄Al、Pt ̄Al、Pd ̄Al、Ti ̄Si ̄Al、NiCr ̄CrAl等。
其中性能最優的是Pt ̄Al改性擴散涂層,同時這種涂層在工業燃氣輪機中也獲得了廣泛應用,使燃機工作壽命可超過5000h。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動機的導向器葉片采用Cr ̄Al共滲防護涂層,要求涂層厚度為30~60μm,實測值為40~53μm,防護效果能滿足使用要求。但零件經固溶+滲層后,合金的γ′相粗大(明顯超過法國件),粗大的γ′相對基體的強化效果降低,對室溫拉伸性能造成了影響。

Si ̄Al共滲應用較廣泛,如我國多種型號的發動機葉片均采用Si ̄Al共滲涂層。用該工藝獲得的涂層性

能穩定,能滿足使用要求,但涂層塑性較差,所以厚度不宜太大,實際控制在30μm左右。NiCr ̄CrAl共滲在俄羅斯AЛ ̄31Φ發動機上被應用,但工藝比較復雜。
(3)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(M=Fe,Co,Ni),其質量分數

為Cr(20~40)%、Al(5~12)%、Y(或其他活性元素Ta、

Hf等)小于0.5%。包覆涂層的特點是成分兼顧了抗氧
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)。某型渦噴發動機IC6合金Ⅱ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NiCo ̄
CrAlY涂層已投入批量生產。

某型渦噴發動機DZ22合金渦輪工作葉片采用的磁控濺射NiCrAlY涂層,某型渦軸發動機Ⅰ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。目前,MCrAlY涂層存在的主要問題是涂層有局部剝落現象,
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穩定化的ZrO2作面層。有資料報道,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,兩者各有優勢。電子束氣相可形成柱狀組織,但導熱系數較高;等離子噴涂的導熱系數較低,但易剝落,因此熱障涂層的廣泛應用受到限制。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。該技術依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力,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、鑄造和固態反應等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復合材料,包括Nb ̄Cr2Nb、Nb ̄Nb5Si3以及Nb ̄MoSi2等。

除用于葉片外,微疊層復合材料在無疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復合材料風扇葉片涂層等方面也有應用。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定的氧化鋯

層(YSZ)與Al2O3來代替單層的MCrAlY+ZrO2,能大大降低導熱系數,可望將葉片耐溫能力提高260℃。

此外,由美國開發的定向氣相沉積技術克服了傳統電子束物理氣相沉積中基體必須面對氣相源的問
專題綜述

題,通過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,可以通過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動機葉片上,進而延長發動機葉片的壽命。

以前我國研制的熱障涂層的降溫效果僅達到
80℃,某型渦噴發動機Ⅰ級渦輪葉片的榫齒延伸曾發

生斷裂,采用鈷鉻鎳熱噴耐磨涂層有效排除了這一故障。某型渦噴發動機Ⅰ級導向器葉片(K403合金)采用的ZrO2熱障涂層曾存在涂層剝落較嚴重的問題。目前,我國熱障涂層使用的最高溫度可達1350℃。

2.4其他部件
表面噴丸處理可提高零件的抗疲勞性,如對某型

渦扇發動機渦輪機匣、某渦軸系列發動機渦輪盤、渦輪葉片榫齒都進行了表面噴丸處理。對重要齒輪,如在滲碳齒輪表面(嚙合面)采用了噴丸強化、

鍍銀等措施。為了提高傳動軸的耐蝕性能和耐磨性能,常對軸進行鍍鉻、鍍鎳、鍍鎘、鍍銅等處理。為避免鎂合金傳動機匣鑄件發生接觸腐蝕,除對其進行陽極化處理外,也需用涂層作隔離保護。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。
針對目前TiMMC復合材料存在的纖維斷裂以及基體裂紋問題,R・R公司與DERA公司合作開發在

SiC纖維增強鈦上涂以Ti涂層的方法來解決纖維的移

位及斷裂問題,加強纖維在制造及使用中的穩定性。而據普惠公司的報道,在F119尾噴管處采用了一種具有隱身性的陶瓷涂層,壽命達幾千小時。在透明涂層方面,美國已開發出導電涂層及平顯線路用透明碳納米管涂覆液。Eikos公司的專利產品Invisicon透明導體(納米絲)是一種產量高、
成本低的薄、柔性及耐久導電涂層技術,將有可能代替銦錫氧化物,用于軍機座艙蓋的透明導電聚合物涂層。

我國西北工業大學利用液相反應法研制的一種成本低、工藝簡單的防氧化涂層,應用于航空高溫碳 ̄碳(C/C)復合材料,使其工作溫度和持續時間達到國內領先水平(1600℃時大于160h,1650℃時大于30h,1700℃時大于10h),而且有良好的抗熱振性,受到廣泛關注。

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