摘 要：介绍了发动机的常用涂层，对涂层喷涂制备技术方法及性能进行了深入研究，并探讨了涂层制备技术发展的主要方向。
关键词：发动机； 涂层； 热喷涂技术
1 发动机常用涂层
表面涂层技术是指将有机、 无机或混合涂层采用刷涂、浸泡、喷涂等方法涂覆于构件表面，从而改善构件表面性能的一门技术。 表面涂层能够对构件起到防护、密封、抗磨、抗冲击、减振和隔热等作用，而且工艺简单、可维修性好，大大提高了发动机构件的可靠性，提高了发动机工作效率，延长了发动机使用寿命，因此在航空发动机、燃气轮机中得到了广泛应用[1]。 发动机常用涂层主要有耐磨涂层 、封严涂层、热障涂层、防腐涂层等。
1.1 保护涂层
抗磨、耐冲击等保护涂层可对管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件起到改善工作条件、提高可靠性和延长使用寿命的作用[2]。 罗•罗公司的统计表明，1976 年以前， 航空发动机零件中有 60%是因磨损而报废，采用耐磨涂层后报废率降至 33%，效果很显著。 例如，钛合金压气机叶片的阻尼凸台表面(约0.4 cm)受到高负荷的撞击和微振磨损。 由于钛合金不耐磨，寿命仅 100h，而在凸台上喷涂一层 0.25mm 厚的 WC 涂层后，叶片寿命延长到上万小时。
1.2 封严涂层
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。 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，采用复合陶瓷涂层材料，在基体表面上制备一层软质可磨耗密封涂层，以达到提高整机效率、降低能耗、简化设计及延长使用寿命的目的。 可磨耗间隙涂层有金属陶瓷涂层和陶瓷涂层两类， 前者用于800 ℃以下，后者则向 1000 ℃以上方向发展。
1.3 热障涂层
热障涂层(TBCs)是目前最先进的高温防护涂层之一，具有良好的高温化学稳定性、抗冲刷性和隔热性等特点， 可使高温燃气和工作基体金属部件之间产生很大的温降(可达 170℃或更高)，达到延长热机零件寿命、提高热机热效率的目的。 美国 GE公司，在 20世纪 70年代中期， 将热障涂层广泛用于延长燃烧室和加力燃烧室组件的使用寿命；20 世纪 80年代， 等离子喷涂热障涂层的应用已经扩展到高压涡轮导向叶片；目前，电子束物理气相沉积热障涂层已广泛应用到第四代发动机高压涡轮工作叶片[3]。
1.4 防腐涂层
航空发动机、 燃气轮机由于使用环境有腐蚀因素，对防腐有一定的要求，腐蚀环境、腐蚀介质的不同，所产生腐蚀破坏的性质不同。 除大气腐蚀外，发动机零部件在工况条件下， 发生腐蚀的同时往往伴随有磨损的发生，产生腐蚀磨损，化学气体腐蚀、化学介质腐蚀环境也伴随有磨损腐蚀， 对于高温氧化和高温腐蚀的工况条件， 涂层材料除满足抗高温氧化和高温腐蚀的必要条件外， 还必须充分考虑涂层材料与基体材料热膨胀系数之间的关系， 避免因温度变化和局部过热而导致涂层抗热震性能下降。
2 喷涂制备技术方法及涂层性能研究
热喷涂技术是航空发动机、 燃气轮机表面防护和强化的主要技术， 所谓热喷涂， 就是利用某种热源，如电弧、等离子弧、燃烧火焰等将粉末状或丝状的金属和非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态， 然后借助焰流本身的动力或外加的高速气流雾化并以一定的速度喷射到经预处理的基体材料表面， 与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。 选用不同的涂层材料和不同工艺方法， 可制备各种性能不同的功能涂层， 如耐磨损、耐腐蚀、间隙封严、热障屏蔽等，近年来，热喷涂技术每年以 5%～15%的增长速度迅速发展。
2.1 低压(真空)等离子喷涂
等离子喷涂是目前应用最广泛的制备表面涂层的方法，其主要特征是以等离子焰流为喷涂热源，气体在电场的作用下被加速，与中性粒子产生碰撞，使中性粒子发生电离， 产生离子电弧， 由于受到热收缩、磁收缩及机械收缩三种效应的作用，使等离子电弧成为具有高温高速的焰流， 从而使喷涂材料被加热到熔化或软化状态， 高速地喷射到准备好的工件表面。 经变形、淬冷而粘结在工件表面，形成等离子喷涂涂层。
低压(真空)等离子喷涂是将等离子喷枪、工件及其运转机械置于低真空(4～12Pa)的密闭室里，在室外控制喷涂过程。当喷枪产生等离子弧后，等离子射流进入低真空环境，其形态和特性都将发生变化。首先，射流比在大气环境里体积更加膨胀，等离子射流密度变小，射流速度相应地提高。 又由于低真空环境传热性差，射流的温度升高，高温区域扩大。 压力越低，射流温度越高，从而使等离子射流的温度场和速度场都发生很大的变化。 进入等粒子射流中的粉末在高温区域滞留的时间延长， 粉粒束受热更加均匀，同时熔粒的飞行速度也显著提高，加之是在密闭的惰性气氛里喷涂， 喷涂粒子以及工件表面完全避免了氧化，工件温度也比在大气气氛里高。由于以上原因，使得涂层结合强度大幅度提高，气孔大幅度降低，涂层残余应力亦降低，涂层质量显著提高。
真空等离子喷涂的优点：高温区域宽，喷涂效率高，涂层孔隙率低；涂层的结合强度高；涂层内应力较低，可喷涂较厚的涂层； 能喷涂 Ti 等活性很强的金属，获得特殊性能的涂层；操作环境噪声低，无粉尘。 真空等离子喷涂的缺点：不宜喷涂易挥发材料；真空室的尺寸限制工件大小等；低压等离子弧喷涂设备复杂，要求有良好的真空系统，设备的价格很高。
2.2 电子束物理气相沉积(EB-PVD)
热障涂层基本原理是基于陶瓷材料具有化学稳定性好、高的熔点和低的热导率，陶瓷涂层含有一定数量的孔隙率等特点，利用陶瓷材料良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热性能，使其以涂层的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。
基于等离子喷涂热障涂层表面粗糙度值大、孔隙多， 难以适应气动性要求高的燃气轮机涡轮转子叶片，加之等离子喷涂涂层抗热冲击性能低，近年来国外加强了对 EB-PVD 的研究。 EB-PVD 热障涂层是用高能电子束加热并气化被加工材料， 材料蒸气以原子和分子为单位沉积到基体上而形成的。 其涂层组织多为垂直于基体表面的柱状晶，高温下，柱状晶可以分开来缓解由于线膨胀系数的差异而造成的热应力，从而大幅度提高涂层的热疲劳抗力。根据沉积材料性质的不同可以使涂层具有隔热性、耐磨性、耐腐蚀性和耐冲刷性，从而起到保护作用。由于涂层制备过程都是在真空环境下进行的， 因此可以防止涂层被污染和氧化。 在控制好工艺的前提下，可以使涂层与被加工材料中的相和元素含量保持一致，这是 EB-PVD 的一大优点，而对航空发动机和燃气轮机至关重要。
电子束物理气相沉积涂层的优点是： 其涂层组织由垂直于基体表面的柱体组成， 柱体与基体是冶金结合，柱状晶结构使涂层具有更高的应变容限，热循环寿命提高近 8 倍；涂层更致密，抗氧化和抗热腐蚀性能更好；涂层界面以化学结合为主，结合力显著增大；表面更光洁，有利于提高叶片的空气动力学性能；可在复杂构件上沉积。 电子束物理气相沉积涂层的缺点是：涂层厚度一般只能达到 0.15mm 左右，只有等离子喷涂厚度的一半， 同等厚度的涂层隔热效果比等离子涂层差；设备系统操作复杂，工艺时间相对较长，因此生产效率较低，技术难度大，目前只有美国、俄罗斯、乌克兰等少数国家实现了批量工业化生产[4]。
2.3 常规火焰喷涂
火焰喷涂法是最早的一种喷涂方法， 它利用氧和可燃性气体的燃烧火焰，把焊丝、焊棒或粉末装的喷涂材料加热， 使其在熔融或接近熔融的状态喷向基体材料表面而形成涂层。火焰喷涂具有设备简单、工艺成熟、操作灵活、投资少、见效快等优点。采用火焰喷涂技术可以制备各种纯金属、合金、陶瓷及塑料涂层， 火焰喷涂法是目前喷涂技术中使用较广泛的一种工艺。
依涂层材料的外形，火焰喷涂法又分为熔丝法、熔棒法和粉末法三种类型。 熔丝法应用能够形成丝材的各种金属和合金作为喷涂材料。 熔棒法以陶瓷(氧化铝、氧化铬等)制成棒状作为喷涂材料，而那些不易制成丝材(铝-锌合金、自熔合金等)的合金和低熔点的陶瓷则以粉末法为宜。
常规火焰喷涂的优点是：设备简单、重量轻、移动方便，可进行现场作业。 对修复的零部件，可以进行大面积的表面喷涂、喷焊，也可以对大型制品的局部进行修复，节省时间，工艺灵活。 常规火焰喷涂的缺点是：涂层的组织疏松、多孔，内应力亦较大，因此涂层的结合程度一般偏低。
2.4 超音速火焰喷涂(HVOF)
超音速火焰喷涂法又叫高速火焰热喷涂，是 20世纪 80 年代出现的一种高能喷涂方法。与一般火焰喷涂相比，设备、工艺必须提供足够高的气体压力，以产生高达 5 倍于音速的焰流(1830 m/s)。 气体的消耗量也很大。 所以需要庞大的供气系统，例如氧气，是一般火焰喷涂的 10 倍。
超音速火焰喷涂技术利用可燃气体燃料 (如氢气、丙烷或丙烯)或可燃液体燃料(如航空煤油)等与作为助燃气的氧气(或压缩空气)混合，在高压的燃烧室中被点燃并燃烧， 剧烈燃烧并膨胀的燃烧气体受到喷嘴的约束并压缩而形成超音速火焰束流，被喷涂的粉末材料沿燃烧室轴心(轴向式)或者喷管周围(径向式)由送粉气体(如氮气)送入，并在火焰中被加热和加速后喷出。
超音速火焰喷涂的主要优点有： 粉末粒子的飞行速度高，冲击能量大，可形成致密的、结合强度高而无分层现象的高质量涂层；火焰温度不高，粉末粒子在火焰中停留和加热的时间短，因此，其材料的相变、氧化和分解受到抑制，特别适合喷涂在高温下极易分解和退化的 WC 等金属陶瓷材料；喷涂距离可在较大范围内变化而不影响涂层质量。 超音速火焰喷涂的缺点有：喷涂消耗的燃料和助燃气量大，设备价格昂贵，运行成本很高；喷涂噪声大，需要在隔音室中操作； 火焰温度不高， 不适于喷涂高熔点的材料；喷涂所使用的粉末粒度要求较高，一般只能喷涂细且粒度范围窄的粉末[5]。
2.5 爆炸喷涂
爆炸喷涂法是一项技术难度较大、 工艺性能较强的新技术， 颗粒速度大是爆炸喷涂区别于火焰喷涂的地方，它利用氧和可燃性气体(乙炔、氢、甲烷、丙烷、丁烷、丙烯等)的混合气体经点火在喷枪中形成爆炸高温(温度在 3300℃以上)，加热喷涂材料，并利用爆炸波产生的高压， 把喷涂材料高速地喷向基体表面而形成涂层。
爆燃式喷涂过程一般包括可燃气体混合物填充、送粉及惰性气体气垫保护、爆燃、清扫等循环往复的过程。 每次脉冲爆燃的结果可以在工件的表面上形成一个涂层圆斑， 其厚度一般为 5～20μm，直径与枪膛内径相当，一般为 20mm。由于工件表面与喷枪之间的相对运动， 各涂层圆斑以一定的步距有序地互相错落重叠，逐渐在工件表面形成一个完整、均匀的涂层。 根据实际需要，对工件表面可以进行连续多次喷涂，最终形成高达数毫米的涂层。
爆炸喷涂最大的特点是涂层非常紧密， 气孔率很低(1%～2%)，与基体金属结合强度高，表面平整。爆炸喷涂可以用喷涂金属、金属陶瓷及陶瓷材料。尽管它具有很多优点，但仍因其设备价格高、噪声大、属氧化性气氛等原因，国内外使用还不广泛。
3 涂层制备技术发展的主要方向
涂层制备技术的核心是优质、高效、低消耗的表面改性，达到赋予基体材料表面特殊功能的目的。技术的发展方向主要是新技术的发现、材料的创新、涂层质量控制软件体系、 涂层制备基础理论研究和检测技术等诸方面。
3.1 提高热喷涂射流和喷涂粒子的速度
涂层质量很大程度上取决于喷射熔滴的速度，现相继出现了爆炸喷涂、 高速活性燃气火焰喷涂(HVAF)、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、高速等离子喷涂、 三阴极内送粉等离子喷涂、 溶液等离子喷涂(SPS)和冷气动力喷涂(CGDS)等新技术。 这些技术的共同特点是大幅度提高了喷涂粒子的飞行速度，降低了涂层孔隙率，提高了涂层结合强度。
3.2 新型热障涂层材料
在氧化锆涂层上使用新成分和氧化锆复合，作为双层复合涂层；纳米涂层(纳米先驱溶液、纳米团聚体粉末)材料、功能复合涂层材料、生物功能涂层材料、金属间化合物涂层材料、微晶或非晶涂层材料等的制备，已成为材料制备技术的重点。
3.3 在线控制质量保证体系
标准工艺参数的重现性和稳定性是保证涂层质量的最基本环节。工艺参数变化影响因素诸多，热功率的大小、热温度分布、喷涂粒子的分布状况、粒子速度的高低，均成为影响涂层质量的重要因素。在线质量控制，检测喷涂热源温度场的分布、喷涂粒子的飞行速度及状态， 为优化并稳定涂层制备工艺参数提供了基本保障。
3.4 涂层制备基础理论研究和涂层性能检测方法
采用神经网络、 试验设计和其他优化方法来确定热喷涂涂层制备工艺参数与涂层性能之间的关系；研究建立喷涂粒子受热状况、运动形式与喷嘴出口处条件之间的数学模型； 涂层中残余应力形成模型；热喷涂过程中粒子流、等离子射流所形成的涂层模型和基体热通量模型； 喷涂过程中各种参数之间模型建立，在理论上研究控制质量的方法。通过采用光学显微镜、电子显微镜、X 射线衍射、高速成像等检测技术，研究涂层的显微组织特性，分析喷涂参数对涂层结构和涂层性能的影响，预测涂层使用性能。
参考文献略
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