热喷涂技术在航空发动机零部件及其维修中的应用
付俊波，周世魁
失效分析与预防
[关键词]热喷涂技术;发动机;维修;应用；热喷涂粉末
[摘要]结合热喷涂技术与航空发动机零部件特点，介绍了热喷涂涂层在航空发动机零部件上应用的种类、特点与功能，对热喷涂技术在国内外航空发动机零部件维修中的应用状况进行了分析，指出热喷涂技术在航空发动机上应用的主要目的是恢复尺寸、修复涂层、喷涂耐磨、耐热和耐蚀等高性能涂层，提高发动机效率，延长发动机使用寿命，最后指出了热喷涂技术发展的关键在于提高涂层质量。
l引言
热喷涂是将喷涂材料加热熔化并雾化，然后高速喷射到基材表面，形成具有足够结合强度和特定性能的涂层工艺。热喷涂的一般工艺流程为:工件非喷涂表面保护~工件待喷涂表面预处理(工作表面清洗和粗化处理)一喷涂一后处理或表面后加工。
热喷涂涂层的质量除与其工艺过程、工艺参数、热源种类、喷涂设备等有关外，还与喷涂材料等密切相关。用于航空动力系统维修的热喷涂涂层材料，主要有用于发动机气路的间隙密封涂层材料、用于发动机磨损零部件修复的抗磨损涂层、用于发动机热端部件隔热的热障涂层和其它功能性涂层。热喷涂工艺方法主要有火焰喷涂法、爆炸喷涂法、超音速喷涂法、电弧喷涂法、等离子喷涂法和激光喷涂法等。热喷涂工艺具有对基体零件热输人量小、工作效率高、可喷涂的材料体系广泛、能适应发动机上多种功能需要等优点，因此，在航空发动机上得到越来越广泛的应用。
航空发动机是一种高技术集成的产品，要求高、工艺复杂。随着航空发动机性能的提高，航空燃气涡轮发动机零部件服役条件更加苛刻，例如:温度高(涡轮前温度已超过1300℃)、转速高、负荷高，而且经济成本(推重比、耗油率、翻修寿命、节约能源等)竞争激烈，并且可靠性要求高。但发动机运转过程中零部件的振动、滑动、撞击和摩擦等引起的磨损，缩短了发动机的使用寿命，降低了发动机的性能。由于热喷涂技术具有工件无热变形、生产效率高、用途广、设备通用性强等特点，且可以根据零件工作条件达到耐蚀、耐磨、耐高温、密封等不同目的，使发动机延长寿命、提高效率。因此，热喷涂技术以其独特的优势，成为现代航空发动机制造和大修中不可或缺的一项表面处理技术，在国内外获得了广泛应用，取得了显著的经济和社会效益。
本文主要介绍热喷涂技术在航空发动机零部件制造和维修中的应用。
2热喷涂技术在零部件的应用
航空发动机的热喷涂涂层主要包括耐磨涂层、热障涂层和封严涂层等，一台发动机有上千个零部件的30以〕多处表面需采用热喷涂涂层。航空发动机零件的工作条件恶劣(高温、高转速、振动、高负荷)，又受到粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等不同类型的磨损，降低了发动机性能、缩短了发动机使用寿命。由于受材料性能、经济成本等因素的限制，只能对一些零件进行表面改性以满足耐磨性要求。热喷涂技术因其取材范围广、基体温度较低、变形小、涂层厚度容易控制等优点被广泛用于喷涂航空发动机上的耐磨涂层。
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、转子叶片叶尖、压气机和涡轮等各级之间的40一60处封严装置组成。封严装置的好坏直接影响发动机的推力和效率。典型发动机高压涡轮叶尖间隙减少0.254mm，涡轮效率就可提高约1%。如果涡轮径向间隙增加0.127mm，耗油率约增大0.5%;如果压气机径向间隙增加0.076mm，单位耗油率约增大1%。可见气路封严是提高效率和性能的重要途径之一。此外，压气机的运转间隙过大，它的气动特性可能在发动机加速时遭到破坏，并引起喘振。因此，为提高发动机运转效率、使用寿命和降低油耗，应尽量减少转子与静子之间的运转间隙。如果间隙过小，则旋转中的动、静件之间有干涉摩擦的危险，这不仅会损害机件，而且对一些钦合金部件而言，其钦合金零件与邻近的钦合金零件形成钦一钦摩擦而有起火的危险。因此希望有一个既能减少间隙又能缓冲干涉摩擦的封严圈，热喷涂涂层以其优点，成为封严圈制造的最理想选择。
用于间隙控制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。某型发动机前机匣内环喷涂铝硅/聚醋涂层，后整流机匣封严环喷涂镍/氮化硼涂层。某发动机压气机一、二、三级机匣喷涂镍/石墨涂层，高压涡轮外环喷涂镍钻铬铝忆涂层。英国罗·罗公司RB211-535C发动机高压涡轮前轴承挡圈，中压涡轮轴承定位环，空气封严环，滑动封严环喷涂铝硅/石墨涂层，中压压气机静子封严圈喷涂铝硅/聚醋涂层等，这些均属于可磨耗封严涂层。
主动磨削涂层主要是喷涂在转子组件和静止件配合部位上的硬质涂层。要求涂层结合强度高、硬度高、隔热性能好。如:转子应有很好的平衡性，不允许涂层的不均匀磨损或掉块现象发生。这类涂层主要是等离子喷涂的陶瓷涂层。陶瓷涂层硬度高、高温性能好，且导热系数低，不会使薄壁转子因摩擦热而产生变形。例如某型机压气机七级盘、某型机压气机级间鼓盘和涡轮蓖齿盘等。
美国G.E公司LM2500发动机低压涡轮转子二、三、六级封严圈上均喷涂氧化铝涂层。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，在进一步发展新合金和冷却技术的同时，高温防护涂层技术得到了大力的发展。如ZrO2、Al2O3等热障涂层得到了广泛应用，应用于发动机的燃烧室、加力燃烧室、涡轮部件及热燃气通道等承受热应力、热腐蚀的热端部件上，可以提高材料等级，延长材料的使用寿命或降低零件的冷却气流要求。
3热喷涂技术在维修中的应用
热喷涂技术在航空发动机维修上应用的主要目的是:恢复尺寸，恢复涂层，喷涂耐磨、耐热、耐蚀、抗冲击载荷、减摩等涂层，使经过修复的零件恢复或提高性能、延长使用寿命。热喷涂技术在国外的航空发动机修理中被广泛地应用于风扇叶片、涡轮叶片等部件上，使磨损后的零件修复，达到提高发动机效率，延长发动机使用寿命的目的。
3.1国外应用
据罗·罗公司的统计表明，1976年以前，航空发动机零件中有印%因磨损而报废。采用耐磨涂层后，报废率降至33%，效果很显著。据资料介绍，在较差材质零件的磨损面上用爆炸喷涂耐磨涂层，可使零件耐磨，将其使用寿命延长数倍至数十倍。如:钦合金压气机叶片的阻尼凸台表面，受到高负荷的撞击和微振磨损，由于钦合金不耐磨，寿命仅l00h，在凸台上喷涂一层0.25mm厚的WC涂层，叶片寿命可从l00h延长到1000h以上;在燃烧室的定位卡环上喷涂一层0.12mm厚的WC涂层后，零件寿命从4000h延长到28000h以上。
由于风扇叶片容易被外物打伤，风扇叶片前缘部分必须定期分析和修理。爆炸喷涂已成为国外修理风扇叶片的一种重要方法。例如，TF39的风扇叶片修理先清理损伤区，采用电子束将新材料焊在叶片边缘上，然后切削加工至原有的设计外形。而叶片的凸台有时必须进行TIG焊并消除应力，同时要进行爆炸喷涂以防止冲击磨损。耐磨的爆炸型HVOFW(:涂层广泛用于军用金属零件。11YOF在国外不仅用于WC一Co及NICr一Crc系统，也用于沉积耐磨和耐蚀合金。HVOF喷涂MCrAIY也在代替某些低压等离子抗高温氧化及热腐蚀涂层和热障涂层的中间层，用于修理和恢复零件原有尺寸图。
RB211发动机燃烧室衬套采用镍铬铝及氧化镁/氧化错热障涂层后，二次大修的使用寿命从1000h提高到4000h一5000h。加拿大太平洋航空公司采用一系列热喷涂涂层后，使JT3D发动机寿命从4000h提高到24000h，而」TSD发动机寿命则从4000h提高到16000h。
发动机涡轮叶片和导向叶片是航空发动机的核心部件，工作在高温燃气气氛中，承受复杂多变的热应力和机械应力，工作条件十分恶劣，而且结构和形状十分复杂，但是无论是防护涂层脱落，还是裂纹、烧损、腐蚀、振动磨损，国外都有专门的厂家从事再制造，复合表面技术在其中占有重要地位。美国普·惠公司的JT9D发动机的导向叶片和一、二级涡轮叶片，修复后进行地面耐久性试验，结果表明:涂覆TBc的一级叶片，经2778次循环均处于良好状态;而无阳C的叶片，经1500次循环后，叶片缘板就发生了明显的破坏。
3.2国内应用
目前国内热喷涂技术在航空发动机维修中的应用与国外先进技术相比还有一定的差距，热喷涂技术在航空动力维修中主要是用于恢复尺寸、喷涂耐磨层等。
某型发动机的加力调节片和密封片由于发动机运转时振动产生相互间的碰撞和磨擦，致使局部磨损，其零件材料为a相为基的钦合金，使用温度范围350℃一500℃，最高工作温度400℃一500℃。如果只在表面堆焊恢复尺寸，由于材料性能的限制，其耐磨性难以符合要求，所以焊后在其表面用爆炸喷涂WC/Co的方法进行修复。长试后进行检查，耐磨性能比没有喷涂耐磨层以前有了很大的提高。
目前国内热喷涂技术在航空发动机维修中应用最广的领域是恢复发动机上零部件的尺寸，如在111级机匣等离子喷涂聚苯醋/铝硅封严涂层，在加力筒体隔热屏上等离子喷涂氧化错涂层，火焰筒喷涂热障涂层等;再如滑油泵壳体的啮合面磨损，采用等离子喷涂铜铝涂层的方法恢复其尺寸;卸荷腔、球面衬套上火焰喷涂镍包铝以恢复磨损的尺寸。
某型发动机经常出现推力小、转速高、涡轮后燃气温度高、燃油消耗率大等故障，尤其大寿命发动机总体性能呈现衰退的趋势。分析认为，这是发动机在工作时机械磨损、介质腐蚀和热部件产生变形等，导致在修理过程中需进行修理或校正，但发生故障的频次随着修理次数的增加而明显地增多。在用现行常规的修理手段和方法难以恢复其性能的情况下，采取一种新工艺来恢复其性能显得十分必要。经分析认为造成故障的关键是二级涡轮叶片径向间隙过大，因此决定在导向器排气边的椽板上喷涂耐高温镍铬铝封严涂层缩小涡轮叶片间隙。经实践证明，有效地排除了发动机故障，翻修期限内发动机工作稳定。
4存在问题和发展趋势
热喷涂技术在航空发动机零部件制造和维修中得到了广泛应用，但是热喷涂技术尚有较多需要解决的问题，这些问题大都围绕提高涂层质量这一要求。
4.1热喷涂材料及涂层结构设计
目前，热喷涂材料的发展滞后于新型航空发动机设计性能的需求。随着航空发动机性能的提高，对其零部件所应用的涂层材料提出了更高的性能要求，例如要求热喷涂涂层具有更高的热障性、耐热腐性、抗热振性等。因此，新型热喷涂材料的研发仍是今后长期的工作。
纳米材料、非晶态材料、陶瓷材料、复合涂层材料的发展，为热喷涂技术提供更多高性能、多功能的涂层成为现实，这将极大的拓展热喷涂在航空动力维修中的应用。纳米陶瓷结构涂层,比传统涂层具有更高的机械性能、低的热导率、高的热膨胀系数等优点，成为近年来热喷涂领域的研究热点。
同时，为了提高热喷涂涂层的综合性能，涂层结构设计也是重要研究内容。采用热喷涂技术制备功能梯度涂层也是重要研究方向。
4.2热喷涂工艺与方法
(l)发展热喷涂新工艺
随着众多热喷涂新设备和新材料的应用，对航空动力维修中的热喷涂技术提出了更高的要求，给传统热喷涂技术提出了挑战，促进了热喷涂技术的发展。近年来，超音速热喷涂、高功率等离子喷涂、微等离子喷涂、低压等离子薄膜喷涂、冷喷涂、射频感应藕合等离子喷涂、反应等离子喷涂、三阴极枪等离子喷涂等新技术不断发展，为热喷涂技术在航空动力制造和维修中提供了更广阔的应用领域。其中，超音速热喷涂(包括超音速火焰喷涂和超音速等离子喷涂)将成为今后发展和应用的重点。
(2)发展自动化喷涂工艺
随着涂层质量要求的提高，以及自动控制技术的发展，在热喷涂技术中实现自动化和智能化已成为必然的趋势。目前，热喷涂技术基本上还处于工艺性阶段，涂层质量主要依靠经验和严格的规程来保证。但根据相关资料预测，由于计算机控制技术的快速发展与应用，在未来10年里，在热喷涂材料和工艺继续发展的同时，热喷涂设备和工艺将普遍实现自动化操作，小型计算机的自动化设备将得到应用，并出现许多大型的计算机集中控制和机器人操作的无人化热喷涂车间及自动化生产线。在热喷涂过程的动态测量与控制，以及涂层质量的动态无损检测等方面，都可能取得较大的突破。
(3)复合表面工程技术
由于表面工程的飞速发展，热喷涂技术与其它学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺，即新的复合表面工程技术。例如:热喷涂与热处理工艺的复合，出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗等工艺;与电镀或电刷镀工艺的结合产生了镀涂工艺和涂镀工艺;与铸造工艺复合，出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等;与高能束表面处理技术复合，出现了激光重溶和电子束重熔等。热喷涂技术与其它表面工程技术复合将是解决工程实际问题的一条重要途径，促进热喷涂技术的发展和推广应用。
4.3应用基础理论研究
热喷涂技术是一个涉及多学科，且适用性很强的基础工艺。它是一个受高温、高速、非均匀性等多参数影响的动态过程，影响因素复杂。这给热喷涂技术基础理论的研究带来了很大困难。针对这种情况，各国十分重视热喷涂技术的理论研究。目前，对热喷涂技术的研究正从试验性工艺技术向着有坚实理论基础的工艺发展。国外在这方面的研究取得了较大进展，而我国在这方面的工作则进展较慢，一定程度上也限制了我国热喷涂技术应用领域的拓展。
4，4工程应用开发
用热喷涂的方法可以修复堆焊或其他表面处理方法无法修复或修复成本太高昂的零件，甚至在一些时候可以代替电镀、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等表面处理方法。热喷涂技术在航空动力系统零部件维修中代替一些产生“三废”的传统维修技术，使航空动力零部件维修成为绿色再制造产业，减少对环境的负面影响。在热喷涂技术中的一个重要课题是用热喷涂层取代铬镀层。由此可见，热喷涂技术应用的新领域有待于进一步进行探索和开发。
5结束语
热喷涂技术作为一项先进的表面工程技术，在航空动力制造和维修中正发挥着重要的作用，在国内航空动力维修中的应用与国外先进技术相比有一定的差距，但是随着技术的进步，国内航空动力维修工程重视程度的增加，热喷涂技术必将发挥更重要的作用。
参考文献略
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