热喷涂技术在航空发动机上的应用
段绪海
航空制造工程
随着航空发动机向高性能、高寿命、高可靠性、低成本方向发展，热喷涂技术在航空发动机上的应用日趋广泛，本文介绍了热喷涂的工艺特点和几种形式，及其使用材料、喷涂方法和应用范围。
关键词:发动机涂层热喷涂
航空工业的发展对发动机性能提出了更高的要求:提高性能、延长寿命、节约能源。热喷涂技术则是解决这个问题的一种较理想的办法。目前我国的热喷涂技术正处于研究开发与运用并存的阶段。热喷涂是将金属和非金属的徐层材料通过喷枪加热到塑性或熔融状态，再经过压缩气体的加速，使颗粒束流冲击到基体表面上，使之形成层状结构的涂层.图1为热喷涂的分类。
热喷涂的工艺特点
热喷涂是一项特殊的表面处理工艺，有以下特点:1.热喷涂用材广泛，除了金属和合金外，陶瓷、金属陶瓷、化合物、物理混合物和有机树脂都可以用作热喷涂材料。2.操作程序少，速度快，效率高。3.适用于各种基体，对金属和非金属(玻璃、陶瓷，甚至木材、塑料等)的表面均可进行热喷涂。4.被喷涂零件的尺寸范围宽，既可以做大面积的喷随着航空发动机向高性能、高翻修寿命、高可靠性、低耗油率、低成本的方向发展，热喷涂技术也得到了迅速发展，一台新型发动机有上千个零部件的3000多处表面需采用热喷涂涂层。美国国家航天飞机计划也非常注重热喷涂技术，热喷涂技术已成为航空航天工业重要的工艺手段.
航空发动机的热喷涂涂层主要包括耐磨涂层、热障涂层、封严涂层和高温防护涂层等。如图2所示。
1.耐磨涂层
由于航空发动机零件的工作条件很恶劣(高温、高转速、振动、高负荷)，又受到粘附磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等几种类型的磨损，使发动机性能和使用寿命受到影响。罗·罗公司的统计表明，1976年以前，航空发动机液零件中有60%因磨损而报废。采用耐磨涂层后，报废率降至33%，效果很显著。如，铁合金压气机叶片的阻尼凸台表面(约0.4cm2)受到高负荷的撞击和微振磨损，由于铁合金不耐磨，寿命仅100小时，以后在凸台上喷涂一层0.25mm厚的碳化钨涂层，叶片寿命延长到上万小时。表1为常用耐撞击磨损涂层，表2为常用耐微振磨损涂层。
2.封严涂层
航空燃气涡轮发动机都有比较完整的气路封严系统，系统由介于轴、鼓筒、转动叶片叶尖、压气机和涡轮等各级之间的40~60处封严装置组成。封严装置的好坏直接影响发动机的功率、推力和效率。如涡轮外环(即叶尖径向间隙)的封严，按设计要求，叶尖间隙与叶片长度的比值每增加百分之一，涡轮效率损失增加1%一3%，可见气路封严是提高效率和性能的重要途径之一，为此在设计上常采用可磨耗封严涂层来达到气路封严的目的。热喷涂封严涂层分为两大类，即主动磨削涂层和可磨耗涂层(被动)。
主动磨削涂层(磨料)一般是坚硬的抗磨损灰色氧化铝涂层，它喷涂在封严蓖齿上随转子高速旋转，象砂轮一样磨削与其对应的金属蜂窝密封环，并尽量使本身不受磨损，这就要求涂层结合强度高，硬度高，隔热性能好。可磨耗涂层，要求涂层软而易磨，并具有润滑性能、抗冲击性能、抗热振性能并与基体有良好的结合性。表3为推荐使用的涂层。
3.热障涂层
现代航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。只有提高涡轮进口的燃气温度，才可能提高压气机的增压比和流量比，从而提高发动机的推力，降低油耗。为了满足不断提高的涡轮进口温度的要求，在进一步发展新型合金和冷却技术的同时，应大力发展高温防护涂层技术。许多先进国家都争相发展热障涂层技术。热障涂层的基本设想是利用陶瓷材料良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热等性能，使其以涂层形式与合金基体结合，从而提高金属结构件抗高温腐蚀环境的能力。为改善涂层和基体的物理相容性，在基体与陶瓷涂层间加一金属粘结层，并且为提高陶瓷涂层的抗热震性，有时将其作成金属陶瓷混合层或金属陶瓷多层复合层。粘结层通常为0.1~0.2mm厚的镍鉻、镍铝、镍铬铝和MCrAlY合金等，其中M代表Co、Ni或CoNi，Al是生成氧化铝保护层所必需的，Cr可促进生成Al2O3并提高抗热腐蚀能力，Y可提高Al2O3与MCrAlY间的结合强度及涂层与基体的结合强度。
涡轮叶片使用陶瓷热障涂层是提高发动机性能的一条重要途径，因为0.4mm厚的氧化铝涂层可使高温合金表面温度降低100一300℃，发动机全负荷时，实测涡轮进口燃气温度为1370℃，涂层表面温度为1080℃，叶片金属温度为930℃，同时大大节省了冷却空气量的消耗，提高了涡轮效率。
有资料表明，一级涡轮叶片表面喷涂0.25mm厚的陶瓷热障涂层，可使冷却空气流量减少50%，比油耗改善1.3%，叶片寿命提高4倍.据国外专家预侧到1995年，全世界陶瓷涂层的总销售额将增长到30亿美元以上，其中航空发动机应用年平均增长28%.
4.高温防护及其它特殊涂层
高温防护涂层主要应用在发动机的热端部件，即涡轮叶片上。50年代起采用渗铝作涂层材料，后来又发展渗Al一Si、Al-Cr、Al-Pt等二元涂层，现在研究应用MCrAIY涂层，采用的工艺有电子束物理气相沉积，离子镀技术、阴极溅射技术、磁控溅射技术和等离子喷涂技术等。美国军用机的Floo和民用JTSD、JTgD和V250O等发动机都采用MCrAIY涂层，获得了良好的效果.
用等离子喷MCrAIY作底层，外加陶瓷热障涂层的复合涂层将成为第四代涂层。还可用热喷涂技术喷出导电涂层、绝缘涂层、远红外涂层、标记涂层、润滑涂层等。
热喷涂技术现已成为发动机制造技术中不可缺少的工艺，必将起着越来越重要的作用。
参考文献略
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