热喷涂材料及其在航空发动机中的运用

时间：2017-06-30 16:36:30 来源：材料导报作者：李俊辰，谢京，郭双全，付俊波，杨艳

摘要：简要介绍耐磨涂层材料、封严涂层材料、热障涂层材料、高温防护涂层材料和尺寸修复涂层材料发展现状的基础上，重点分析了各类涂层材料的性能特点及其在航空发动机中的运用，并结合各类涂层在航空发动机中的运用特点，对涂层材料今后的发展方向进行了论述，以促进航空发动机用热喷涂材料的发展。
关键词：热喷涂涂层；航空发动机；航空材料；性能特点；进展；发展方向

    随着航空发动机向着大功率、高负荷、高性能方向发展，人们对航空材料提出了越来越高的要求，单纯依靠改变材料性能，已很难满足航空发动机发展的需求，为此各种表面处理技术被运用于航空发动机中，以赋予航空材料耐磨、耐蚀、隔热和耐高温氧化等特殊性能。
    热喷涂技术是表面工程领域的一种重要技术，与其他表面处理技术相比其具有可利用材料广、基体材料不受限、涂层厚度易控制等优点。因此热喷涂涂层被大量运用于各种航空发动机零部件中，如航空发动机火焰筒头部喷涂了热障涂层燃烧室外套喷涂了耐磨涂层压气机机匣喷涂了封严涂层压气机叶片榫头喷涂了抗微振磨损涂层［１－４］热喷涂。涂层功能的多样性是由性能不同的多种材料所决定的热喷，涂材料是热喷涂技术的核心其发展和进步提升了航空发动，机的可靠性和经济性。本文在简要介绍耐磨涂层材料、封严涂层材料、热障涂层材料、高温防护涂层材料和尺寸修复涂层材料研究现状的基础上，重点阐述了这些材料的性能特点及其在航空发动机中的运用，并就其未来发展趋势进行了论述，以促进各类热喷涂材料在航空发动机中的运用。

1 耐磨涂层材料

    在航空发动机各类故障模式中，磨损是一种极其重要的形式，而耐磨涂层材料的出现为降低发动机零部件的磨损，延长发动机使用寿命提供了一种可能。航空发动机用耐磨涂层材料除应具有高熔点、高硬度外，还应具有良好的自润滑性能和抗冲击磨损能力，以满足其在特殊工况下的使用需求。ＷＣ熔点高、硬度大，为超硬材料，耐磨性极佳，但是其脆性大，一般不直接使用，而是通过向ＷＣ粉末中加入Ni、Co等金属元素以提高其韧性。ＷＣ－Ｃｏ在５４０℃以下具有较好的综合性能，其在航空工业中运用较广，一般采用爆炸喷涂以防止喷涂过程中ＷＣ的分解。如利用爆炸喷涂在航空发动机密封片上喷涂一层0.3～0.4ｍｍ的 WC-Co涂层，可使密封片耐磨性提高3倍以上，使用寿命从4000h延长至10000h以上[5]
    Al2O3 是一种常用的陶瓷耐磨涂层材料，为了改善涂层性能，一般加入１３％的ＴｉＯ２，并通过纳米制粉工艺获得 Al2O3－13％TiO2 纳米粉体材料，再通过等离子喷涂技术沉积到零件基体上，从而提高零件的耐磨性能，该材料已用于航空发动机涡轮等热端部件耐磨涂层的制备中［７］合金除具。ＮｉＣｒＢＳｉ有较好的高温磨损性能外，还具有优良的耐热性能和耐腐蚀性能，主要用于８００ ℃以下工作的航空发动机耐磨涂层，由于涂层中降熔元素Ｂ的存在，后续可以通过重熔处理以降低涂层中的孔隙率和未熔颗粒数量，从而提高涂层的耐磨性能齿冠结构以吸收航空发动机运行过程中的振动能量，减小叶片振动，为了增强锯齿冠结构的高温耐磨性能，在锯齿冠结构的工作面喷涂有Ｃｏ－Ｃｒ－Ｗ耐磨涂层。发动机在运行过程中压气机叶片榫头部位存在着微动磨损，从而降低发动机效率，为此常通过等离子喷涂Ｃｕ－Ｎｉ－Ｉｎ的方法，来提高榫头部位抗微振磨损能力，延长叶片的使用寿命。

2 封严涂层材料

    为减小航空发动机转子与静子之间的间隙，提高航空发动机燃油效率，封严涂层被大量运用于航空发动机中。理想的封严涂层材料应该有足够的强度以抵抗外部颗粒及气体的冲蚀，又可被刮削而对叶片尖端无磨损。为此封严涂层材料一般选用金属和非金属组成的复合材料，其中金属为涂层提供足够的强度、硬度和耐磨性能；非金属保证涂层有一定的自润滑性能和抗粘着磨损能力。
    近年来，随着航空发动机使用温度和各项综合性能的提高，热喷涂封严涂层材料也向着陶瓷化、复合化和纳米化方向发展，以制备出综合性能更好的热喷涂用封严涂层。美国Ｍｅｔｃｏ公司充分利用陶瓷涂层材料耐磨、耐高温的特性以及聚苯酯和ｈ－ＢＮ优良的自润滑性，制备出ＹＳＺ－ｈＢＮ－聚苯酯涂层材料，其使用温度可达１３５０ ℃［１２］。北京航空制造研究所通过将５％～１２％（质量分数）的聚苯酯，５％～１０％分数）的ＢａＦ２／ＣａＦ２和余量的ＮｉＣｒＡｌＹ系列合金或ＣｏＣｒＡlＹ系列合金混合，运用等离子喷涂方法以及真空扩散处理技术，制备出了使用温度高达１１５０ ℃的高温封严涂层京航空材料研究所制备出了一种包含粘结底层、阻氧层、隔热层及可磨耗面层组成的封严涂层，经试验涂层１１５０ ℃热循环寿命达到１５０次以上，热冲击寿命达到１０００~１１５０ ℃以上，该结构可磨耗封严涂层的使用温度可达１２００ ℃钙钛矿结构陶瓷粉末在较高温度下能保持其晶体结构稳定，郭洪波等通过喷雾造粒的方法，制备了一种适宜于采用等离子喷涂方法制备的钙钛矿结构陶瓷封严涂层材料２３＋ｘ１０＋，表明该类涂层材料的隔热效果优良。

3 热障涂层材料

    随着航空发动机涡轮前进口温度不断提高，仅依靠先进的气膜冷却技术和新型高温结构材料的开发，已很难使航空发动机热端部件的使用温度获得进一步突破。因此，在航空发动机热端部件上喷涂热障涂层材料是一种高效与快捷的金属氧化物陶瓷材料具有熔点高、热导率低、抗高温氧化性能好、热稳定性优良且具有一定韧性等优点，使其成为理想的热障涂层材料。表２给出了几种常用的热障涂层用陶瓷材料物理性能参数，由于Ｙ２Ｏ３是６％～８％的Ｙ２Ｏ３部分稳定的ＺｒＯ２）具有较高的热冲击性能和与金属基体相近的热膨胀系数，目前在航空发动机中的运用较为成熟，已成功用于航空发动机的火焰筒和导向器叶片等零部件，其使用的粉末多为纳米结构的团聚粉和空心粉，但是使用温度仅限于动机发展要求。动机发展要求［１６］材料中掺杂。研究表明，通过在现有ＹＳＺ氧化物是提高热障涂层材料使用温度的有效手段。美国国家航空和宇航局通过在ＹＳＺ中添加Ｇｄ２Ｏ３和Ｙｂ２Ｏ３制备了ＺｒＯ２－Ｇｄ２Ｏ３－Ｙｂ２Ｏ３－Ｙ２Ｏ３多元共掺缺陷团簇热障涂层，并将该涂层成功运用于航空航天领域［１７］

4 高温防护涂层材料

    为了使航空发动机零部件免受高温腐蚀和高温氧化，高温防护涂层材料被广泛运用于航空发动机零部件中。高温防护涂层除应具有优良的抗氧化和抗热腐蚀性能外，还要求其在高温下组织稳定、不发生相变且与基体界面不产生有害相。其中适宜于采用热喷涂法制备的涂层材料主要有ＭＣｒＡｌＹ、ＭＣｒＡｌＸ（其中Ｍ代表Ｎｉ、Ｃｏ或两者的联合，Ｘ为对氧活性元素，如Ｔａ、Ｓｉ、Ｙ、Ｈｆ、Ｚｒ等）。目前这类热喷涂材料主要作为热障涂层的粘结底层使用，使热障涂层兼具隔热、耐高温氧化和耐热腐蚀的功用。ＭＣｒＡｌＹ常见的合金体系主要有ＦｅＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｒＡｌＹ、ＣｏＣｒＡｌＹ、ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ等，其中ＮｉＣｒＡｌＹ型材料具有优良的抗氧化性能，ＣｏＣｒＡｌＹ材料则更抗热腐蚀，而ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ的抗氧化、耐热腐蚀综合性能较好［２１］。通过在ＭＣｒＡｌＹ系列合金中加入活性元素可以进一步提高合金的抗氧化和耐热腐蚀能力，如通过在ＭＣｒＡｌＹ合金中添加元素Ｒｅ，可使涂层的抗氧化性能得到明显提高［２２］。

5 尺寸修复涂层材料

    航空发动机在使用过程中，一些零部件因磨损、腐蚀和其他损伤而改变了零件原有几何形状和尺寸，从而破坏了零件之间的配合特性和工作能力。在随后大修过程中可通过热喷涂涂层的方法对这些零部件的尺寸进行修复，以使其满足使用要求。镍铝合金粉末是一种常用的自粘结性热喷涂材料，黎明航空发动机有限公司采用电弧喷涂技术喷涂镍铝粉末的方法对航空发动机附件壳体损伤端面的尺寸进行了修复［２３］。中国人民解放军第５７１９工厂利用等离子喷涂镍铝的方法对某型发动机低压导向器组件进行了修复。近年来，随着“修复强化”理念的提出，人们在镍基粉末的基础上开发出了一系列用于航空发动机零部件尺寸修复的材料和工艺，如表３所示。同时，由于冷喷涂技术出现，人们已经可以对航空发动机中的铝、镁合金零部件进行修复。如俄制 д－３０航空发动机中央传动机匣采用ＺＭ５镁合金制造，用传统方法难以对其进行修复，北京航空材料研究院采用爆炸喷涂铝青铜的方法，对中央传动机匣进行了成功修复，经测试，涂层之间结合致密、无裂纹、涂层与基体结合强度较高［24］。

6 结语

    随着航空发动机向着高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，亟需开发适用于未来航空发动机发展的热喷涂材料。通过优化粉体材料制备工艺开发出具备高熔点、高硬度的硬质合金粉体材料，是未来耐磨涂层材料发展的一个方向。研发新型的、高性能的固体润滑剂是获得高性能封严涂层材料的重要途径。运用多元复合手段，进一步降低热障涂层的热导率，增强热障涂层和基体材料的结合性能，是获得高性能热障涂层的重要方法。同时，还应加强对新型稀土锆酸盐的研发力度，尽早实现其工程化运用。就ＭＣｒＡｌＸ型防护涂层而言，可通过多元共掺、成分优化等手段，抑制涂层与基体材料的互扩散，提高服役过程中氧化层的自粘结性能，从而延长涂层使用寿命。在尺寸修复方面，可将热喷涂技术与再制造技术相结合，研发具备自修复性能的尺寸修复材料。同时，纳米材料的使用，有助于涂层组织结构的细化和均匀化，从而提高涂层的性能，因此，可通过先进的纳米制粉工艺，制备出热喷涂用纳米粉末，以提高各类涂层的服役能力。最后，加大对有色金属粉末及高温合金粉末的研发力度，以促进冷喷涂技术的运用。

参考文献略

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