航空发动机篦齿类零件封严涂层制备工艺及涂层厚度测量对应关系的建立
周 莉，刘彦军
热 喷 涂 技 术2010 年 12 月
摘 要：为了达到对篦齿类零件封严齿上涂层厚度和涂层质量的控制，采用转换测量对象，建立封严齿与转换对象间涂层厚度及涂层质量特性的对应关系，在零件后续批生产过程中，实现对篦齿类封严件上涂层厚度的控制以及涂层性能的检验，确保零件上涂层厚度及涂层质量特性与其转换测量对象之间具有相应的对应关系。
关键词：篦齿类封严件；主动磨削涂层；等离子喷涂；单遍沉积效率；涂层厚度；对应关系
航空发动机是飞行器的“心脏”，是在高温、高压、高转速的恶劣环境下长期反复使用的热力机械，对飞行器的性能具有极其重要的作用。随着等离子喷涂技术在航空发动机篦齿类封严件生产加工中的广泛应用，对封严齿涂层质量的控制有着非常重要的意义。然而，由于封严齿自身结构形状的制约，在封严篦齿类零件封严涂层的制备过程中，无法实现对零件上封严涂层厚度的的直接测量，而封严涂层厚度对于封严篦齿类零件后续装配间隙的控制又具有极其重要的作用。在不同旋转速度、气动参数及衬套结构下，利用篦齿蜂窝封严结构的封严特性能够增加篦齿前后腔压比, 泄漏系数逐渐增加但增加幅度趋于平缓；当节流间隙很小时，齿间压力及泄漏量基本不发生变化，所以对于航空涡轮发动机气路封严控制系统的好坏直接影响发动机的功率、推力和效率。
1 封严涂层在篦齿类封严件中的应用及作用
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，如下图 1所示。这些涂层几乎全部都可以采用等离子喷涂的方法来制备[1]。其中封严涂层，主要应用于发动机的气路封严系统。
涡喷、涡扇发动机上的封严件用于防止滑油从发动机轴承腔漏出，控制冷却空气流和防止主气流的燃气进入涡轮盘空腔。而篦齿类封严件除广泛用于封挡轴承滑油外，它还被用作控制内部气流的限流装置。
篦齿式封严包括一个带篦齿的旋转件和一个静止的安装座，安装座嵌衬一层软的可磨材料衬带，或者装上一个耐高温的蜂窝结构。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，在发动机开始运转时，封严齿轻轻地摩擦并切入这个衬带，使它们之间的间隙最小。由于零件的热膨胀和旋转件的振动，在整个飞行中间隙是变化的。每个封严篦齿的前后存在一定的压力差，阻止封严空气从篦齿的一侧流到另一侧。当这种封严方式用于轴承腔封严时，它只允许空气从轴承腔的外侧流入内侧，从而防止滑油泄露，这个气流还可诱发正压力，它有助于滑油的回油。
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 1％，涡轮效率损失就增加 1％～3％。可见，气路封严是提高效率和性能的重要途径之一。为了近一步提高压气机和涡轮的效率，需要进一步减少叶尖漏气的损失。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）。
（1）主动磨削涂层（磨料）一般是坚硬的抗磨损灰色氧化铝涂层，喷涂在封严篦齿上。随着转子的高速旋转，像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。
（2）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、抗热震性能，以及与基体有良好的结合性能。
2 热喷涂
2.1 等离子喷涂的基本概念
等离子喷涂是热喷涂范畴中的一种形式。它是采用非转移型等离子弧为电源，喷涂材料为粉末的热喷涂方法。近十几年来等离子喷涂技术发展很快，目前已开发出大气等离子喷涂、可控气氛等离子喷涂、溶液等离子喷涂等技术，等离子喷涂已成为热喷涂技术中最重要的一项工艺方法。其中，应用较为广泛的是大气等离子喷涂，亦简称等离子喷涂。
2.2 等离子喷涂原理及工艺特点
等离子喷涂通过等离子枪来实现，喷枪的喷嘴（阳极）和电极（阴极）分别接电源的正、负极，喷嘴和电极之间通入工作气体，借助高频火花引燃电弧。电弧将气体加热并使之电离，产生等离子弧，气体热膨胀由喷嘴喷出高速等离子射流。送粉气将粉末从喷嘴内（内送粉）或外（外送粉）送入等离子射流中，被加热到熔融或半熔融状态，并被等离子射流加速，以一定速度喷射到经预处理的基体表面形成涂层。常用的等离子气体有氩气、氢气、氦气或它们的混合物。喷涂原理如图 2 所示。
在等离子喷涂时，影响喷涂质量的因素很多，诸如喷涂工艺参数、喷涂操作人员、测量、环境、设备、材料等。因此，为了获得合格的涂层质量，在加工时，就要注意这方方面面的因素。在喷涂加工中，任何一个方面的疏忽都会造成涂层质量的不合格。只有了解了喷涂加工的特点后，才会制备出合格的喷涂涂层。
2.3 等离子喷涂工艺参数对涂层质量的影响
等离子喷涂工艺包括喷涂前的基体表面预处理、涂层材料选择、喷涂工艺参数的确定和喷涂后处理。在喷涂粉末材料和工件气体确定以后，影响涂层质量的主要工艺参数是基体温度、电功率和送粉量、喷涂距离和喷涂角度、喷涂线速度和喷枪移动速度、主气和送粉气的流量等。
3 灰色氧化铝封严涂层喷粉材料特性
3.1 灰色氧化铝封严涂层工艺特点
对于航空发动机气路封严系统而言，封严效果的好坏，对发动机的性能有着直接的影响。在现代航空涡扇发动机的篦齿类封严件的生产加工中，为了达到良好的封严效果，在设计上常采用喷涂封严涂层的方法来达到气路封严的目的。
目前，涡扇发动机篦齿类封严件的封严齿大都采用灰色氧化铝涂层作为主磨削涂层。氧化铝涂层具有较高的硬度、较低的摩擦系数及优良的化学稳定性，是理想的耐磨蚀涂层。
灰色氧化铝喷粉的主要成分是三氧化二铝，另有少量的二氧化钛，可提高涂层韧性及结合强度。其熔点为 1995℃，粉末粒度较粗，因此喷涂的关键因素是如何使粉末充分熔化，使尽可能多的粒子沉积到试件表面，涂层的沉积效率可以作为衡量粒子熔化程度的标志。
3.2 氧化铝封严涂层的制备
灰色氧化铝涂层制备过程中，为保证在基体材料和工作层之间形成良好的结合，增加涂层基体之间的结合强度，在喷涂灰色氧化铝涂层之前，先喷涂一层镍/铝粘接底层，使粘接层涂层与基体界面之间形成微冶金结合的、材料的膨胀系数与工件和表面涂层材料相近的粘接底层（过渡层）。镍铝复合粉末是最典型和应用最广泛的“自粘结”打底涂层材料，在热喷涂火焰高温热源的作用下，涂层材料不同组分能发生放热化学反应，使涂层与基体形成微冶金结合。
涂层与基体的结合强度主要取决于基体与喷射微粒之间的接触温度、微粒的熔融状态以及在喷射过程中施加于微粒的冲击力。而在该涂层制备工艺中，所能考虑的主要因素就是提高接触温度。
在了解了上述等离子喷涂特性后，结合现有设备和封严零件特点，以某发动机高压涡轮后旋转气封件为例，进行说明。该零件材料为 INCO718,零件形状如图 3 所示。要求在图示 W、V、U 区域进行喷涂，涂层材料分别为镍铝复合粉末（底层），灰色氧化铝粉末（面层）。涂层尺寸要求见表 1。
3.3 喷涂工装的设计
为了在喷涂时，使零件和对应试片获得一致的喷涂状态，确保喷涂试片与零件之间建立起相应的对应关系，这就需要对喷涂工装进行设计，使喷涂试片与零件应尽可能的具有相同的喷涂状态-相同的喷涂距离、相同的喷涂角度、相同的线速度等等，如对上图所示高压涡轮后旋转气封，在喷涂时为了获得与封严齿一样的喷涂状态，我们采用材料为 GH4169 的条形试片作为代替喷涂零件的基体材料，试片尺寸为 75±1×25±1×1.4±0.3。同时采用如图 4 所示的喷涂工装，使试片和零件一起喷涂，使之具有相同的喷涂状态。
4 封严件的喷涂加工与涂层对应关系的建立
4.1 建立零件上涂层与试片上涂层对应关系
在零件正式批生产过程中，对篦齿盘封严齿的涂层厚度测量是不允许用切割零件的方法来进行的，而且封严篦齿齿侧的涂层厚度亦无法用常规测具进行直接测量，为了使喷涂后封严齿涂层质量可控，这就需要采取一种较为可行的方式来实现喷涂后对涂层厚度及质量的控制方法—建立封严齿齿侧涂层与喷涂试片上涂层的“对应关系”。既在某种特定条件下，转换测量对象，通过对转换对象进行的有效测量，来验证和评估封严齿齿侧上涂层厚度及质量。
所谓“对应关系”是指在对所喷涂零件的涂层研发时期，通过试验在保证零件试样切块和对应试片的喷涂状态（喷涂角度、距离、线速度等）一致情况下，使两者最大可能的获得相同状态的涂层，在保证零件切块厚度和金相都合格的条件下，建立起零件试样切块与对应试片间的涂层状态联系，找到试样切块和转换测量的对应试片之间的涂层对应关系，以此来达到对封严齿涂层质量控制的目的。在整个涂层工艺研发过程中，喷涂试片对整个喷涂工艺的建立起决定性的指导作用，在模拟零件每一次的喷涂过程中，可以通过金相检查和金相评估，直观的建立起篦齿盘封严齿齿侧涂层与喷涂试片上涂层的“对应关系”，实现封严齿齿侧涂层与喷涂试片上涂层的转换测量。
4.2 单遍沉积效率的概念和建立涂层对应关系时的工艺要求
对于篦齿封严件，一般涂层厚度要求在0.10～0.20mm 左右。由于封严件几何形状关系，在喷涂时由于涂层沉积速度与沉积角度关系会造成零件和试片上的涂层沉积不均匀，涂层氧化物超标或涂层空隙分布不均的现象，致使试片的涂层沉积效率和涂层质量与各封严齿的涂层沉积效率和涂层质量存在明显差异。因此，在喷涂生产加工时，对涂层的单遍沉积效率的控制技术显得尤为重要。如果，涂层的单遍沉积效率太高，一方面不利于涂层厚度尺寸的有效控制；另一方面，如果涂层单遍沉积效率太高，会使涂层的孔隙率和未融颗粒增多，会降低涂层的喷涂加工质量；如果涂层单遍沉积效率太低的话，会使涂层的结合强度下降，此外也会降低生产效率，增加成本，造成不必要的浪费。
一般而言，根据试验经验和涂层厚度要求，生产中以及在建立零件对应关系时，一般把涂层的单遍喷涂厚度控制在涂层厚度要求范围的 20%左右较为适宜。
这里，依然以前面的零件高压涡轮后旋转气封为例，其涂层厚度要求见表 1。结合涂层单遍喷涂厚度控制要求，对于这个零件的底层喷涂厚度应控制在单遍 0.015mm 左右较为合适。而面层涂层，因其齿尖和齿侧的厚度要求范围有较大不同，因此在确定喷涂工艺参数，以及在设计涂层单遍喷涂厚度时，应以齿尖涂层厚度与齿侧涂层厚度同时满足设计图要求范围为依据，并在保证涂层均匀度的前提下实现对封严齿齿面、齿尖和齿背涂层厚度的有效控制，同时较好的满足齿尖和齿侧涂层厚度要求，因此应将面层的单遍喷涂厚度控制在单遍 0.02～0.04mm 左右。
4.3 对应关系的建立过程
在确定了零件喷涂的单遍沉积效率后，就需要在涂层的喷涂研发过程中建立起零件和试片间准确、有效的对应关系，以此对零件的涂层质量进行控制。
在喷涂加工过程时，零件对涂层的厚度要求大都有一个规定范围，因此，在喷涂试验过程中无论是对底层，还是对面层进行喷涂加工时，最好能将它们的厚度范围划分成多个可控区间。通过控制单遍沉积效率，保证零件有合适的喷涂遍数，并通过用千分尺测量喷涂试片上的涂层厚度值，以实现对封严齿上，齿侧涂层厚度在要求范围内上限、中限、下限涂层厚度三个涂层基本厚度区间的精确控制。由此，建立起喷涂遍数，封严齿齿侧厚度与试片厚度间的对应关系，通过对试片上涂层厚度及涂层质量的测量和监控，达到对封严齿上涂层厚度与涂层质量的检验测量与控制的目的。
4.4 涂层显微组织检查与涂层质量的检测控制
在建立涂层厚度对应关系的过程中，必须是在保证所有涂层质量都满足零件金相检测要求的前提下进行。在热喷涂层生产过程中，对涂层的质量控制首先是注意各个生产环节的正确掌握和参数调节，以最佳的质量指标确定热喷涂工序的工艺。
在喷涂后应及时检查涂层的表面质量、厚度、结合情况以及所要求的各种使用性能。篦齿类封严件封严齿形状结构大都较为类似，形状如图 3 所示。为了满足发动机气封要求，需要在零件齿尖和齿侧部分进行喷涂。喷涂后，除了要对涂层进行宏观质量的检查外，还要求涂层能够满足一定的厚度、界面、氧化物、孔隙率及未熔颗粒要求。但由于封严类零件自身形状特点的制约，在喷涂后，用一般传统的测量方法是无法直接对封严齿涂层上述涂层性能和齿侧厚度进行直接评定检测的，通过对应关系的建立，可以通过检测试片上涂层质量以确定零件上涂层质量。
零件高压涡轮后旋转气封的厚度测量结果，见下表 2。
通过以上对零件工艺参数的设定和厚度结果的分析，建立起了高压涡轮后旋转气封单区间的涂层对应关系，如下表 3 所示。
5 结论
（1）航空发动机篦齿类零件封严涂层制备工艺的好坏会直接影响发动机的功率、推力和效率。（2）随着等离子喷涂技术在航空制造领域日益广泛的应用，对涂层质量的要求也越来越高。“对应关系”在热喷涂生产过程中的应用，不仅可以实现对篦齿类封严件齿侧涂层质量的有效控制，而且在涂层研发试制过程中，也是一种非常有效、合理的涂层加工方式和试验方法。（3）喷涂过程对应关系建立，不仅适用于篦齿类封严件涂层质量的控制。对于所有因零件自身形状特点制约，无法对涂层质量进行直接检测的喷涂零件都使用于这种方法。（4）对于复杂型面零件在喷涂加工前，通过对应关系的摸索，建立涂层厚度和涂层质量的转换测量方法，有利于对涂层厚度进行有效控制，同时在不增加生产和加工成本的前提下，有利于对涂层质量的有效控制。（5）在新涂层的喷涂试制过程中，是一种很好的指导思想，有利于提高试验效率。
参考文献略
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