破解热喷涂涂层难题
黄兆晖
中国民航报
热喷涂涂层是民用航空发动机封严间隙控制的重要手段和发展趋势，其高科技的特点和高可靠性的期望，为民航维修企业提出了严格的要求。通过创新实践，Ameco 以优良的涂层质量，树立了自身的维修品牌。航空科技的发展和应用是航空业的热点话题，降低维修和运营成本日益成为航空公司关注的焦点。热喷涂涂层作为先进科技与航空应用的结合，在确保航空发动机可靠性和经济性方面功效卓著。Ameco 以多年发动机大修经历为依托，在热喷涂维修方面具备相应技术实力和质量优势，尤其是在磨耗涂层维修方面积累了丰富的经验。
技术攻关 知难而进
磨耗涂层是控制发动机转子通道间隙的热喷涂涂层，目的是在发动机运转过程中提供严格而稳定的转子通道间隙控制，提高发动机作功效率。因此，良好的磨耗涂层设计必须具备以下因素：在发动机高速运转条件下，保持持续稳定的可磨削性能和良好的耐冲击与耐腐蚀性能，并且必须保证航空器的安全和发动机转子的使用寿命。目前，波音 757 飞机选装的 RB211-535E4 发动机上的磨耗涂层应用十分广泛，其中RB211-535E4 发动机高压压气机所采用的 Metco320NS 涂层尤为重要。 Metco320NS 是Sulzer-Metco 公司研制的间隙控制磨耗涂层，具有优良的耐腐蚀和抗疲劳性能。由于 RB211-535E4发动机高压压气机原有的 Metco313NS 涂层在使用过程中出现时效软化、热应力疲劳和电化学腐蚀等问题，造成叶尖间隙过大而导致的压气机裕度降低、起动困难和性能过早衰退等现象。为解决此类问题，罗·罗公司于 2001 年发布服务通告 SB72-C903，采用 Metco320NS 替代 Metco313NS来提高发动机的安全性和经济性。
Metco320NS 涂层设计性能优良，但如何将其体现在实际涂层质量上，却成为 RB211-535E4发动机维修工作的难题。从世界范围 RB211-535E4 机群实际使用经验来看，Mecto320NS 涂层的裂纹和剥落为常发故障，严重时会导致发动机喘振。与 RB211-535E4 相关的 MRO 企业，包括罗·罗公司在内，对此都极为关注，并通过持续的改进来寻找最佳涂层控制和解决方案。以提供优良的涂层质量为目的，Ameco 发动机大修分部和实验室相关人员面对此种公认的技术难题知难而进，在涂层成分分析、工艺流程优化以及质量控制方面做了大量的工作。
工艺流程有效优化
Metco320NS 是由铝硅、氮化硼和有机粘合剂构成的，有机粘合剂将氮化硼和铝硅黏合在一起，以防止氮化硼在热喷涂火焰中过多分解。有机粘合剂是一种粉末制造工艺，在实际涂层中残留的有机粘合剂不能增加涂层的结合力。铝硅是涂层的金属组分，具有保持涂层整体性和牢固性的作用。氮化硼为非金属填料，在保证涂层整体稳定性前提下提供涂层的可磨削性能。
Ameco 技术人员通过成分分析发现，喷涂粒子经热源加热撞击零件基体形成涂层后，减少了涂层中残余的有机粘合剂，保证铝硅组分和氮化硼组分按照合理比例匹配，这是获得理想涂层质量的重点，也为设定正确的热喷涂参数并保持其稳定性提出了很高的要求。热喷涂维修工作包括一系列施工工序:喷涂前表面制备(清洗、喷砂)，试片检查(硬度试验和金相检查)，喷涂参数监控(电流、电压、送粉率、喷涂距离、主气流量、次气流量等)和喷涂后检查。首先，确保设备良好状态是热喷涂工作的基础，这将直接影响热喷涂操作的正确性和稳定性。通过对热喷涂设备性能的掌握和与厂家的多次沟通，Ameco 技术人员最终确定以监测热喷涂设备电压为检查手段，如设备电压低于正常值 3V 则表明热喷涂喷枪电极有磨损烧蚀迹象必须更换电极。其次，为确保以一致稳定的参数获得良好的涂层质量，改变以往的单个零件喷涂方式，将其变为批次喷涂(将每台 RB211-535E4 发动机的 7 个零件集中喷涂)。这减少了不同热喷涂工艺间的干扰问题，确保了设备的稳定性，提高了热喷涂操作的持续性和喷涂质量。质量控制至关重要保证正确的热喷涂参数是确保涂层质量的基础，为建立正确的热喷涂参数，并且解决在热喷涂过程中参数漂移导致的涂层质量降低问题，相关的质量检验工作非常重要。
Metco320NS 的质量控制包括硬度检查和金相检查。在对实际零件进行热喷涂前需要制作热喷涂试片，然后对试片进行硬度检查和金相检查。试片硬度检查包括常规 HR15Y 硬度检查和试片时效后硬度检查，常规硬度检查要满足 45-70HR15Y 要求，失效后硬度检查时硬度值应大于零。在硬度检查后要进行金相检查，检查项目包括界面污染、裂纹、松孔、氮化硼含量和铝硅含量。只有上述硬度检查和金相检查全部通过后，才能以制作试片的热喷涂参数来喷涂实际零件。在对实际零件喷涂后，要对每个零件进行实际 HR15Y 硬度检查，不满足要求的零件应重新喷涂。从整个质量控制环节来看，氮化硼含量/铝硅含量和实际零件 HR15Y 是质量检查的难点，氮化硼含量高则零件硬度值低，而氮化硼含量低则零件硬度值高，往往要达到两者的合理匹配难度很大。对此，Ameco 相关人员专门立项对此进行了技术攻关，以不同热喷涂参数制作了大量的试片，并且根据每个零件尺寸制作了专门的硬度试验工装，最终寻找到了行之有效的热喷涂参数并且固化了下来。
一分耕耘，一分收获。Ameco 相关人员以锲而不舍的精神和精益求精的态度，在 Metco320NS涂层热喷涂方面取得了卓越的成绩，赢得了客户的信任和良好评价。一些客户因 Ameco 优良的Metco320NS 涂层质量，将发动机送至 Ameco 进行大修。
参考文献略
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