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航空發動機的“鐵布衫”——談談我國涂層技術的發展歷程

文章發布于:2018-08-01 作者:興弘新材料 瀏覽次數:

熱噴涂和物理氣相沉積是航空發動機制造企業使用極其廣泛的表面工程技術,被用于發動機耐磨、抗氧化腐蝕、可磨耗封嚴、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃、隱身及零件尺寸修復等功能涂層的生產。我國很多涂層技術與發達國家相比有很大差距,涂層殘余應力、組織缺陷及厚度等無損檢測技術基本上沒有得到應用。國外壓氣機和渦輪氣路封嚴技術在近幾年得到了迅速發展,相應的刷式封嚴耐磨涂層、壓氣機鈦合金轉子葉片葉尖復合鍍耐磨涂層等新技術得到了應用,我國則剛開展進行涂層材料和制備技術研究。

為了增強海防實力,我國投入使用了航空母艦,因此對艦載機需求增加。海洋環境下服役艦載機發動機零部件容易受高濕、鹽霧以及微生物等形式的化學腐蝕,壽命大幅度縮短,維護費用和大修成本劇增,因此對三防涂層技術需求緊迫,需要國家增加投入,盡快進行兼具耐海洋腐蝕性能的可磨耗封嚴、耐磨涂層材料研制和噴涂工藝研究。另外國內越來越多的發動機在一定翻修期服役后要返廠大修,因此發動機零部件修理技術,尤其是表面涂層修復和尺寸修復將成為大修生產的關鍵和瓶頸技術。其中冷噴涂(又稱動力噴涂)技術具有避免噴涂粉末氧化,材料成分、晶體相和晶粒尺寸不變,涂層致密,且可以噴涂厚涂層等優點,在國外發動機大修生產中早已經得到了實際應用。

涂層殘余應力經常導致涂層開裂和剝落,因此涂層殘余應力測試和模擬計算技術研究勢在必行[1]。涂層無損檢測技術,包括涂層孔隙、分層和裂紋檢測以及熱障涂層厚度在線檢測技術,在國外發動機涂層生產中已得到工程化應用,但國內只有大連理工等高校進行了基礎研究,仍需要發動機企業聯合科研院所開展無損檢測技術的工程應用研究。

目前,國內已有很多關于航空發動機涂層及其制備技術的綜述文獻,例如文獻[2-3],因此本文重點論述我國尚未應用、亟待研制的發動機隱身涂層及壓氣機葉片抗沖蝕涂層、鈦合金轉子葉片和機匣防鈦火涂層的技術現狀和發展,以促進我國新型隱身軍機的涂層技術研究和應用。

抗沖蝕涂層技術

飛機在低空飛行、起飛和降落過程中,空氣中的鹽粒、火山灰、雪和沙粒等在高速氣流作用下不可避免地被吸入渦輪發動機內[4]。風洞試驗表明,直徑大于30μm 的砂粒能對葉片造成明顯的沖蝕磨損[5],大顆粒甚至能使葉片變形,影響發動機性能或導致其失效[6]。尤其近年來開始使用的高比強度、綜合性能和耐蝕性好的鈦合金壓氣機葉片,耐沖蝕性能很差,更需要解決沖蝕磨損問題。抗沖蝕涂層是解決壓氣機葉片沖蝕損傷的最有效手段。

目前,國外主要將二元抗沖蝕涂層用于航空發動機上,如法國幻影戰機一、二級壓氣機葉片使用TiN 涂層,前蘇聯也使用TiN、CrC、ZrN 涂層葉片,尤其將TiN 涂層應用于米-24、米-28 直升發動機引擎螺旋槳及壓氣機轉子葉片上。美國則將TiN 涂層用于CH-46E 海上騎士運輸直升機的引擎螺旋槳葉片,使葉片壽命提高了3~4 倍,英國也通過研究將耐沖蝕涂層用在“山貓”直升機壓氣機葉片上。MDS-PRAD、GE 公司進一步改進抗沖蝕涂層,并將成分分別為TiN 和TiAlN 的ER7 和BlackGold陶瓷涂層用在直升機和運輸機發動機上。ER7 涂層結構如圖1 所示,該涂層為軟/硬層交替排列結構,并以過渡層與基體結合。與單層涂層相比,ER7 具有更好的斷裂韌性和抗沖擊性能,目前已在渦軸和渦扇發動機上得到廣泛使用。

國內外對多元合金化TiAlN、ZrAlN 等涂層、電弧鍍等技術制備的ZrN/TiN 多層納米涂層以及復合的Al/AlN、Ti/TiN、Cr/CrN 涂層等進行了大量研究[7-9]。圖2[10] 為典型Cr/CrN交替的涂層顯微組織,這種復合方式明顯改善了涂層抗沖蝕性能。Cr/CrN 抗沖蝕性能與Cr/CrN的層厚比值Q 密切相關[10],在Q為0.81 時涂層抗沖蝕性能最佳(圖3[10])。復合涂層內的韌性相承受較多的塑性變形,硬質脆性相則發揮增強涂層抗磨損性能的作用[7]。其他研究結果說明,不只復合方式能提高耐沖蝕性能[4,11],向TiN 涂層中添加鋁的多元合金化也能增強涂層抗沖蝕性能[12]。

 

國內對壓氣機葉片抗沖蝕涂層做了一些應用研究,如渦噴7 發動機1~6 級壓氣機葉片采用低溫滲鋁-硅酸鹽復合涂層后,對葉片防腐蝕效果明顯。中國南方航空動力使用的TiN 沉積涂層也對壓氣機葉片起到了較好的防護作用[13]。總體來說,我國能在航空發動機上得到應用的抗沖蝕涂層很少,還不能充分滿足設計的技術需求。

 

抗沖蝕涂層脆性較大,增加了合金表面裂紋萌生的傾向,從而降低合金的抗疲勞性能,是亟待解決的技術難題。另外,耐沖蝕涂層在干燥性空氣中對壓氣機葉片具有很好的抗沖蝕防護作用,但在海洋環境卻可能受到嚴重的潮濕或鹽霧腐蝕破壞,使葉片壽命縮短,給發動機帶來安全隱患。這需要在二元陶瓷涂層基礎上開展合金化多元涂層及復合涂層研究,即向二元陶瓷涂層中加入Al、Cr、Si、B、Hf 等元素,以提高涂層耐海洋腐蝕性能,目前這些工作還處在基礎和應用研究階段[14],仍有很多工作要做。

防鈦火涂層技術

鈦合金因其比強度高、密度小、熔點高、抗腐蝕性能好等優點,被廣泛用于航空發動機的風扇葉片、壓氣機機匣和葉片等部件,以提高發動機推重比。然而隨著飛機性能的不斷提高,發動機鈦合金零部件,特別是高壓壓氣機的工作溫度、壓強和氣流速度越來越高,加上對磨件之間的摩擦,常導致鈦合金燃燒。20 世紀70年代以來,僅美國和前蘇聯就分別發生過一百多和三十余起發動機鈦火事故。其中,由高壓壓氣機轉子葉片引起鈦火事故的比例高達22.5%,渦輪故障則達20%,嚴重制約了鈦合金在發動機上的應用[15],因此防鈦火技術成為各國急需解決的技術瓶頸問題。



國內外主要采取改進發動機設計、阻燃鈦合金和阻燃(或防鈦火)涂層技術防止鈦合金燃燒[16]。美國曾經在F119 戰機上應用阻燃鈦合金,但合金成本過高,阻燃涂層則是工藝簡單、成本低、可維護且有效的阻燃技術。在容易摩擦著火的鈦合金表面涂覆阻燃涂層,減少摩擦熱量積累和傳導,以延緩或阻止鈦合金燃燒。要求涂層有良好的可磨耗性、低摩擦系數以及抗氧化腐蝕性能、低燃燒熱值、高光潔度。鈦合金機匣涂層還應具備封嚴功能,且與對磨葉片合金有較好的兼容性。

NASA 曾通過對十幾種阻燃涂層試驗確定了幾種具有阻燃和抗氧化性能的涂層材料[17]。針對EJ-200HP 壓氣機機匣的鈦火問題,英國R·R 公司、意大利FAIT 公司、德國MTU公司及西班牙ITP 公司聯合研究,確定采用氧化鋯隔熱底層和含膨潤土可磨耗封嚴面層的涂層結構來提高鈦合金機匣的阻燃抗氧化性能,并在相應壓氣機轉子葉片葉尖部位涂覆立方氮化硼強化的耐磨涂層,大大減少了鈦火事故。CFM-56 發動機的高壓壓氣機鈦合金機匣內環裝配了兼具密封和防鈦火作用的鋼襯套和防火隔圈,該隔圈上涂覆鋁青銅可磨耗涂層。某大修機的壓氣機機匣為BT3-1 變形鈦合金,因此在機匣內側等離子噴涂含有氮化硼的防護涂層。國內中航工業西航和北京礦冶研究總院采用熱噴涂技術制備阻燃涂層,并初見成效。

在阻燃性能測試技術方面,NASA 研制成模擬發動機工況的燃燒試驗臺,可進行不同氣流溫度、壓力與速度條件下的燃燒試驗[18]。國內北京礦冶研究總院、北京航材院、海軍航空工程學院、太原理工等單位對鈦摩擦著火、金屬液滴、激光常溫常壓下點燃等阻燃性能檢測技術進行了研究。總體上,我國在防鈦火涂層成分和結構設計、涂層制備以及防鈦火性能測試技術等方面取得了一些進展,但仍需要很多研究工作以實現涂層的應用。

從已有文獻來看,目前國內外在阻燃涂層技術方面的研究還不是很多,尤其是我國在近幾年為了提高新機推重比使用鈦合金零部件,才真正投入經費進行阻燃涂層工程應用研究,因此基礎還很薄弱,今后還需要在阻燃涂層的材料、結構和制備、涂層阻燃性能測試等方面做很多工作,以加快阻燃涂層技術在新機發動機上的應用進程。

隱身涂層技術

現代戰爭中雷達等探測技術日趨先進,為增加軍機的隱蔽性和戰場生存能力,保障戰斗力,二戰以后美、蘇、英、法等國都投入巨資進行隱身技術研究,并取得很多研究和實際應用成果。隱身涂層由于使用方便、成本低、操作方便、不受零件幾何形狀限制,成為近年來發展最快的隱身技術研究領域。

對于新型號隱身軍機發動機,需要進行紅外和雷達隱身技術研究。紅外隱身涂層即是降低目標自身熱輻射及其與環境之間的紅外輻射差異,以增加敵方探測難度,其技術途徑是以紅外隱身涂層和低發射率薄膜等形式控制表面溫度或降低輻射發射率。紅外隱身涂層由粘合劑和填料組成,填料一般由金屬、著色和半導體3 種顏料組成,起到反射和降低發射率的作用。粘合劑則有2 個基本性能:一是保護顏料,在使用過程中要使其紅外特性保持不變;二是在所選光譜范圍內對紅外透明。目前紅外隱身涂層的缺點是涂層厚、面密度大,且受工況影響。粘合劑的紅外波段高透明或低吸收性能以及良好的物理性能,是紅外隱身涂層的一大技術難點[19-20]。

雷達吸波材料是利用其特殊的電磁特性將入射電磁波轉化為熱能,以減少回波能量,從而達到隱身的目的。相應地,雷達吸波涂層則應對相應波段的雷達波具有低反射率,反射衰減大小是其雷達隱身性能的重要指標。實際應用中要求涂層頻帶盡量寬,涂層盡量薄,材料盡量輕,雷達吸波能量最強,即具有薄(涂層)、寬(頻)、強(吸收)的效果。國外較早就研究了SiC 和Si3N4 增強的耐高溫吸波復合材料,如美國研制的SiC 纖維增強玻璃陶瓷復合材料即使在高溫下也具有吸波性能。美國洛克希德·馬丁公司將陶瓷基材料作為吸波材料用在F117 隱身飛機發動機的尾噴管后沿,能夠承受1093℃的高溫。但由于該材料成型溫度高、厚度大且難以控制等因素存在,在一定程度上限制了它的推廣應用。

 

近年來發達國家在提高隱身涂料耐高溫性能,探索新型顏料和粘接劑等方面作了大量研究,實現了工程化應用。如美國F-22、F-117A、B-2以及法國幻影-2000 戰斗機均采用了隱身涂層技術,隱身飛機生產商洛克希德·馬丁公司也將其最新隱身技術研究成果用于F-35 戰機上。美陸軍裝備研究司令部、英國BTRRLC公司、澳大利亞國防科技組織的材料研究室、德國PUSH GUNTER 以及瑞典巴拉居達公司均研制成功第二代隱身涂層技術,有些涂層兼容紅外、毫米波和可見光隱身功能。NorthropGrumman 公司研制的隱身涂層進一步降低了美空軍B-2 轟炸機的雷達波反射率,增強了對低頻雷達反偵探能力,且使隱身零部件的維護時間減少了一半多[21],該涂層材料為代號MagRAM 的鐵填充彈性橡膠材料。目前隱形戰機發動機的渦輪葉片、加力燃燒室內錐、尾噴管調節片等零部件工作溫度高,需要紅外隱身技術。對于發動機靜子葉片、隔熱屏及噴管的外調節片和彈性片等零部件,則需要雷達波隱身技術。隱身涂層和薄膜的制備技術包括磁控濺射、涂料噴涂加固化等工藝,熱噴涂吸波涂層是近年來出現的新技術,主要被用于高溫陶瓷和鐵氧體吸波涂層。

我國在863計劃中曾設專門的紅外隱身課題,但研究成果未得到實際應用[22]。北京工大、南航、西北工大、國防科大和長春應化所等單位對耐高溫吸波及紅外隱身材料和涂層、薄膜等技術開展了研究,發動機搭載試驗證明一些涂層有良好的隱身效果,但實現應用還有很多工程化問題要解決,而且目前我國的高溫吸波涂層低頻隱身性能差,高溫使用性能、與基體的匹配性等方面都有待于進一步提高。

總之,國外很多隱身涂層技術已得到工程使用,然而目前使用的吸波涂層存在很多問題,大多只能在單一頻帶使用,吸波能力較低,涂層過厚,面密度大,涂層殘余應力和較低的抗氧化腐蝕性能也常影響涂層的使用壽命。隨著隱身軍機發展,對兩種或多種隱身性能兼容的涂層提出了更高要求。在實際生產中,熱噴涂涂層厚度增加使殘余應力增大,導致涂層出現裂紋和翹起等問題[23] 也需要解決。

今后還要圍繞隱身材料和涂層制備技術及其工程化應用等方面開展許多研究工作。研制新型有較強吸波能力和低紅外發射率隱身材料,減小隱身涂層厚度[24-25],開發抗氧化、耐海洋或濕熱腐蝕隱身材料,以提高涂層的使用壽命[26]。研究寬頻帶吸波材料,實現多頻譜隱身;通過多層雷達吸波材料研制和結構設計,改善涂層吸波效果并展寬頻帶,研制適合于在噴管調節片和加力燃燒室內錐等發動機零部件上使用的雷達與紅外隱身兼容的材料和涂層制備技術。此外,采用新型工藝提高涂層耐高溫性能,延長吸波涂層的使用壽命,也是今后急需解決的吸波隱身技術問題[27]。

結束語

(1)抗沖蝕涂層是解決壓氣機葉片沖蝕損傷的最有效手段,今后還需要解決抗沖蝕涂層脆性難題,開展多元合金化涂層及復合涂層研究,以提高耐沖蝕涂層的耐海洋腐蝕性能。

(2)我國阻燃涂層技術基礎薄弱,還需要在阻燃涂層的材料、結構和制備、涂層阻燃性能測試技術等方面開展研究,以實現阻燃涂層技術在新機發動機上的應用。

(3)針對新型隱身軍機發動機,研制有較強吸波能力和低紅外發射率隱身材料, 減小隱身涂層厚度,開發抗氧化、耐海洋或濕熱腐蝕隱身材料,以提高涂層使用壽命。

(4)研究寬頻帶和多層的雷達吸波材料,以改善涂層吸波效果。實現多頻譜隱身技術應用,重點研究雷達波與紅外兼容隱身涂層技術,為未來新型隱身戰機研制做技術儲備。

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