热喷涂技术在我国航天领域的应用

　　热喷涂技术在我国航天领域的应用
　　吴朝军 吴晓峰 杨杰 曾发
　　第十二届国际热喷涂研讨会论文
　　文摘：热喷涂是表面工程领域中的一项重要技术，本文阐述了热喷涂技术的主要工艺方法和常用的功能性涂层，简单回顾了热喷涂技术在航天领域的应用历程，介绍了热喷涂技术在我国航天领域的应用现状并对未来的发展进行了展望。
　　关键词：热喷涂；热喷涂热喷涂粉末；等离子喷涂
　　1.热喷涂技术简介
　　热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。热喷涂有多种工艺方法，如等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂和爆炸喷涂等。
　　热喷涂技术应用十分广泛，选择不同性能的涂层材料和不同的工艺方法，可制备热障、可磨耗封严、耐磨密封、抗高温氧化、导电绝缘、远红外辐射等功能涂层。涂层材料几乎涉及到所有固态工程材料，包括金属、金属合金、陶瓷、金属陶瓷、塑料及其它们的复合材料。热喷涂技术广泛应用于航空航天、冶金、能源、石油化工、机械制造、交通运输、轻工机械、生物工程等国民经济各个领域。
　　2.现代航天技术
　　现代航天技术是包括运载火箭、人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等的一项综合系统工程技术。其中运载火箭是航天技术的基础，也是我国发展较为成熟并具有国际先进水平的一项技术，因此热喷涂在航天领域的应用主要指在运载火箭方面的应用。
　　运载火箭是在导弹的基础上发展的，一般由 2～4 级组成。每一级都包括箭体结构、推进系统和飞行控制系统。末级有仪器舱，内装制导与控制系统、遥测系统和发射场安全系统。级与级之间靠级间段连接。有效载荷装在仪器舱的上面，外面套有整流罩。
　　3.热喷涂技术在我国航天领域的应用
　　热喷涂技术的进步在很大程度上得益于 20 世纪世界航空工业的空前发展，航天工业在时间上迟于航空工业，航空领域应用较为成熟的热喷涂技术如热障涂层，可磨耗封严涂层自然就转而应用于航天领域中。我国航天领域热喷涂技术的应用开始于上世纪五十年代末，当时是用氧乙炔火焰喷涂Al2O3涂层用于导弹鼻锥部位的热防护，以后为喷涂金属 W 和 ZrO2等高熔点材料，自行研制成功等离子喷涂设备，并于七十年代初将等离子喷涂的 W 和 ZrO2涂层用于我国××3 和××4 发动机燃烧室和喷管延伸段上。七十至八十年代，随着 METCO 公司热喷涂设备的引进和长征－3 号火箭研究项目的启动，热喷涂技术在航天领域的应用进入第一个快速发展期，期间利用热障涂层、耐磨封严涂层等热喷涂技术解决了许多关键性技术难题，获得很好的应用。九十年代以来，一方面我国航天工业空前发展：航天载人工程、杀手锏工程、战术和战略导弹的批生产等都对热喷涂技术提出了更高的要求；另一方面热喷涂技术本身也取得了重大进展，如高速火焰喷涂技术的出现和成熟应用、超音速和大功率等离子设备的问世、热喷涂材料质量的提高等使得近十几年来热喷涂在航天领域的应用进入了第二个快速发展期。
　　3.1 热障涂层的应用
　　3.1.1 热障涂层
　　热障涂层（ Thermal Barrier Coatings 简称 TBC ）最早用于航空领域，是现代航空发动机的关键技术之一，目前应用的 TBC 涂层采用双层涂层结构：MCrAlY 结合底层 + YPSZ（ Y2O3/ ZrO2）工作面层，其基本原理是基于陶瓷材料具有化学稳定好、高的熔点和低的导热系数，陶瓷涂层含有一定数量的孔隙率。因而使热障涂层成为很好的高温隔热材料。它能把高温部件与高温燃气隔离开来，仅 0.20~0.40mm 厚的热障陶瓷涂层，就能使金属零件表面的温度降低 200~300 ℃，并使热端部件免受燃气腐蚀和冲蚀。
　　3.1.2 应用实例
　　等离子喷涂的热障涂层在航天领域应用最为广泛。火箭发动机喷管延伸段内壁在工作时承受 1500℃以上高温焰流的冲蚀，时间长达几十秒至上百秒，一般采用等离子喷涂热障涂层进行防护，涂层结构：MCrAlY 结合底层＋YPSZ （ Y2O3/ ZrO2）工作面层。
　　火箭级间段材质一般为铝合金，内壁装有许多测试仪器，为减轻重量内壁采用化铣工艺铣成网格形状，最薄处仅有 1.2mm，发射过程中级间段短时承受几千度的高温，内壁需做防热处理否则瞬间烧毁。
　　火箭发射车发射台架发射时承受高温焰流的冲蚀也可以通过喷涂热障涂层进行防护。我国载人航天工程也应用了热障涂层技术，飞船逃逸系统的关键部件栅格翼大面积使用了等离子喷涂 Al2O3涂层。
　　3.2 可磨耗封严涂层的应用
　　3.2.1 可磨耗封严涂层
　　可磨耗封严是指压缩气体在高速旋转机械（压缩机、燃气轮机等）的旋转叶片与壳体之间获得理想的流动间隙。可磨耗密封涂层主要用于航空、航天的压气机、涡轮的间隙控制，达到提高整机效率、降低能耗、简化设计、延长使用寿命的目。一般对可磨耗封严涂层的性能要求如下：
　　1．耐高温氧化（不同温度段；＜400℃；＜550 ℃；＜850 ℃；900－1000℃）；
　　2．耐高温燃气冲蚀，受 2~3 倍音速的高温燃气冲蚀涂层无剥落；
　　3．涂层质软，易刮削，受 300m/s 线速度的叶片端部刮削而不损伤叶片尖部，涂层本身呈碎屑而无剥落；
　　4．涂层多孔，具有良好的耐热震性和绝热热性；
　　5．高温化学性能稳定，高温使用条件下，与金属基体或结合底层不发生有害化学反应；
　　6．刮削面光滑，不影响气流的导向和流动特性。
　　3.2.2 应用实例
　　可磨耗封严涂层在航天领域的应用主要集中在巡航导弹上。巡航导弹推进系统包括助推器和主发动机。助推器通常采用固体或液体火箭发动机。主发动机通常采用涡轮喷气发动机和小型涡轮风扇发动机，而这两类发动机在原理上与航空发动机相同，所以可磨耗密封涂层的应用部位和材料种类与在航空发动机上的应用相类似。
　　3.3 耐磨、密封涂层的应用
　　3.3.1 耐磨、密封涂层
　　热喷涂技术可以喷制高质量的金属氧化物（陶瓷涂层）和金属碳化物涂层（硬质合金涂层），这两类涂层能够满足多种工况条件下的对耐磨和密封的要求，耐磨、密封涂层用于一些具有相对运动的磨损零件上，抵抗磨料磨损、粘着磨损、冲蚀磨损等。主要喷涂材料有：Cr2O3、Al2O3/TiO2、WC/Co、Cr3C2/NiCr等。金属氧化物涂层采用等离子喷涂；金属碳化物涂层现都采用高速火焰喷涂；氧-乙炔喷焊工艺制备的镍基或钴基自熔合金涂层也是一种很好的耐磨、密封涂层。
　　3.3.2 应用实例
　　等离子喷涂的金属氧化物陶瓷涂层在运载火箭的动密封系统中应用较多。长征-3 号火箭三级采用的是氢氧发动机，最初研制氢氧发动机时，其涡轮泵动密封是一项关键技术，经研究试验，采用了在动环表面等离子Cr2O3涂层的技术方案解决了动密封难题；氢氧泵轴轴向密封也采用等离子Cr2O3涂层技术；某型号油缸密封套采用了等离子喷涂 Al2O3涂层技术。
　　3.4 热喷涂成型技术的应用
　　热喷涂成型技术是指用热喷涂方法将某种材料喷涂在预制好的坯形表面或被封闭物表面形成一定厚度和形状的涂层的过程，一般坯形物需去除掉，而被封闭物则借助涂层包裹于其中。可用于喷涂成型的热喷涂工艺主要是等离子喷涂、低压等离子喷涂和电弧喷涂。电弧喷涂成型技术生产效率高、成本低、操作简单、喷涂前工件不需预热，喷涂时只有很少的热量传至工件，所以工件可维持较低的温度（一般不超过 65℃），不易发生变形，在较短的时间内能牢固地喷涂高达 10mm 厚的金属涂层面。
　　等离子喷涂成型技术涂层材料选择广泛，可以喷涂各种金属材料和非金属陶瓷材料，喷涂效率高；工艺稳定性好、含氧量低、涂层组织致密、机械性能较电弧喷涂好。低压等离子喷涂用来喷涂成型一些由稀有金属材料或易氧化材料制成的零部件，低压条件下成形的涂层面，涂层致密洁净，结合强度高。
　　图 12 和图 13 是喷涂成形的一个实例，图 12 显示的是在多层叠加的镍网表面火焰喷涂的镍合金涂层，厚度为 4～5mm，中间的镍网是被封闭物，而镍合金涂层构成了外圆表面的包裹层，图 13 是加工成活后的产品。图 14 是低压等离子喷涂成形的发动机喷管。
　　4.发展和展望
　　随着热喷涂技术的不断进步和我国航天事业的快速发展，相信热喷涂技术在航天领域的应用将会更加广泛深入。
　　（1）热障涂层自上世纪 60 年代工程化应用以来，在材料体系方面不断改进，目前已发展至第四代，即：MCrAlY 结合底层＋YPSZ （ Y2O3/ ZrO2） 工作面层。为满足发动机热端部件更苛刻的隔热要求，国内外研究者在新隔热材料体系方面进行了大量研究并取得了一些进展。
　　研究发现稀土氧化物 CeO2可以改善 ZrO2的稳定性，同时显著降低 ZrO2材料的热导率，由此设计出新型双陶瓷层 TBC 涂层系统： MCrAlY 结合底层 + YPSZ （ Y2O3/ZrO2 ）中间层 + CeYSZ（ CeO2/Y2O3/ZrO2 ）工作顶层。CeYSZ 涂层具有优良的热屏蔽性能，而韧性好的 YPSZ 涂层则能承受热疲劳冲击。这种双层陶瓷 TBC 涂层显示出优良的耐热震性能，存在实际应用的可能。
　　纳米结构的 YPSZ 制备的涂层具有结合强度高、抗热震性能好，初期导热率低的优点，目前已在航空发动机导向叶片上成功应用，航天领域已应用于巡航导弹某部件上。为进一步提高热障涂层抗高温氧化性能，MCrAlY 底层采用高速火焰工艺喷涂也是目前 TBC 涂层制备的新趋势。研究表明：La2Zr2O7热导率为 1.1~1.5W/mK，低于传统的 YPSZ 材料，在室温至 2500K 温度范围内，其热稳定性好，抗烧结性能好，氧扩散率低，是一种非常有前途的新型热障涂层材料。
　　（2）可磨耗封严涂层方面不断有新的需求和进展，其中 Sulzer Metco 公司在此领域处于世界领先，不断有新的研究和应用成果发布。Sulzer Metco 公司开发的数种 NiCrAl-hBN-聚酯涂层材料显示出良好的综合性能，在此材料体系中，聚酯在涂层工作时烧损而增加可磨耗性，Ni 基合金保证了在高温使用时的抗冲蚀性和自身的强度，BN 在高温时有较好的自润滑性，避免叶尖与涂层之间的粘着。在此基础上，Sulzer Metco 公司还陆续开发出 CoNiCrAlY-hBN-聚酯和 YSZ-hBN-聚苯酯涂层材料，其中后者的使用温度高达 1000℃。
　　（3）随着热喷涂技术的发展，各种热喷涂技术层出不穷，现代热喷涂技术不仅仅停留在“热”字上了，近年来发展起来的冷气动力喷涂技术是对热喷涂技术的补充和扩展，已成为现代热喷涂技术重要组成部分。
　　冷气动力喷涂技术可制备致密、无氧化的各种纯金属涂层，厚度可达几毫米，并且对零件基体传热少，该技术在航天发动机再生冷却装置方面有良好的应用前景。
　　
　　参考文献略

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