熱噴涂材料和技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

朱警雷

【摘 要】熱噴涂技術(shù)是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心技術(shù)之一。熱噴涂材料和技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的耐磨、高溫防護(hù)、隔熱、封嚴(yán)以及鈦合金零件的防微動(dòng)磨損、阻燃等方面[1]，在提高發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能方面起到了重要作用。本文介紹了先進(jìn)熱噴涂材料和技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上應(yīng)用的目的、種類、特點(diǎn)及優(yōu)異性能，闡述了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用中存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】熱噴涂材料 航空發(fā)動(dòng)機(jī) 應(yīng)用

1 應(yīng)用

航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的熱噴涂材料主要包括抗磨損涂層材料、間隙封嚴(yán)涂層材料、熱障涂層材料和其它功能性涂層材料[2]；熱噴涂工藝方法主要有等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂和激光噴涂等。在一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上有上千個(gè)零部件的大約3000多處零件表面需采用熱噴涂涂層。

1.1 耐磨涂層

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件工作條件更加苛刻，例如溫度高（高壓渦輪前最高溫度已超過1500℃）、轉(zhuǎn)速高（渦輪轉(zhuǎn)速約20000rpm）、負(fù)荷高；同時(shí)零部件受到粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損等不同類型的磨損，都會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。熱噴涂技術(shù)因其取材范圍廣、基體溫度較低、變形小、涂層厚度容易控制等優(yōu)點(diǎn)被普遍的用于噴涂航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的耐磨涂層，幾種常用耐磨涂層詳見表1。

1.2 封嚴(yán)涂層

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)都有比較完整的氣路封嚴(yán)系統(tǒng)，系統(tǒng)由介于軸、鼓筒、轉(zhuǎn)子葉片葉尖、壓氣機(jī)和渦輪等各級(jí)之間的40-60處封嚴(yán)裝置組成。氣路封嚴(yán)裝置的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和效率。典型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖間隙減少0.254 mm，渦輪效率就可提高約1%。渦輪徑向間隙增加0.127 mm，耗油率約增大0.5%。壓氣機(jī)徑向間隙增加0.076 mm，耗油率約增大1%。采用熱噴涂技術(shù)制備一個(gè)既能減少間隙又能緩沖干涉摩擦的封嚴(yán)圈，成為封嚴(yán)圈制造的最理想選擇[2]。用于間隙控制的熱噴涂封嚴(yán)涂層分為兩大類，即可磨耗涂層和主動(dòng)磨削涂層[2]。國內(nèi)外大量發(fā)動(dòng)機(jī)都采用不同的可磨耗涂層來保證封嚴(yán)質(zhì)量從而控制間隙。英國羅· 羅公司RB211-535C發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪前軸承擋圈，中壓渦輪軸承定位環(huán)，空氣封嚴(yán)環(huán)，滑動(dòng)封嚴(yán)環(huán)噴涂鋁硅/石墨涂層，中壓壓氣機(jī)靜子封嚴(yán)圈噴涂鋁硅/聚醋涂層等。美國發(fā)動(dòng)機(jī)TF39風(fēng)扇葉片的燕尾等離子噴涂Cu-Ni-In涂層防止擦傷，這些均屬于可磨耗封嚴(yán)涂層。主動(dòng)磨削涂層主要是噴涂在轉(zhuǎn)子組件和靜止件配合部位上的硬質(zhì)涂層。主要是等離子噴涂的Al2O3和TiO2陶瓷涂層。這類陶瓷涂層硬度高、高溫性能好，且導(dǎo)熱系數(shù)低，不會(huì)使薄壁轉(zhuǎn)子因摩擦熱而產(chǎn)生變形。美國GE公司LM2500發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪轉(zhuǎn)子二、三、六級(jí)封嚴(yán)圈上均噴涂Al2O3涂層。

1.3 熱障涂層

熱障涂層廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、加力燃燒室、渦輪部件及熱燃?xì)馔ǖ赖瘸惺軣釕?yīng)力、熱腐蝕的熱端部件上。TBCs可以提高材料等級(jí)，延長(zhǎng)材料的使用壽命或降低零件的冷卻氣流要求。

2 新型熱噴涂材料和技術(shù)的應(yīng)用

新型熱噴涂工藝技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地涌現(xiàn)，相繼出現(xiàn)了爆炸噴涂、高速活性燃?xì)饣鹧鎳娡?、高速電弧噴涂、活性電弧噴涂、高速等離子噴涂、三陰極內(nèi)送粉等離子噴涂、溶液等離子噴涂、冷氣動(dòng)力噴涂、反應(yīng)等離子噴涂等新技術(shù)[4]。多種復(fù)合工藝技術(shù)已聯(lián)合使用，形成高性能梯度功能材料涂層[3]。

3 存在問題和發(fā)展趨勢(shì)

盡管熱噴涂材料和技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造中得到了廣泛應(yīng)用并取得了巨大效益，但是熱噴涂材料和技術(shù)尚有較多待解決的問題，應(yīng)該著重?zé)釃娡客繉硬牧虾屯繉釉O(shè)計(jì)、工藝方法、應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究等工作。

3.1 熱噴涂材料及涂層設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)涂層設(shè)計(jì)基本停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，缺乏較為完善的熱噴涂涂層設(shè)計(jì)體系及所需的大型涂層數(shù)據(jù)庫。首先需建立一個(gè)包含涂層材料成分、涂層性能與服役性能的關(guān)系、工況條件及其變化對(duì)涂層性能的要求、工藝方法及其相關(guān)工藝參數(shù)、工藝設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫；然后通過評(píng)估現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)公式的成熟性，并采用數(shù)學(xué)建模方法來利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，逐步建立和完善涂層設(shè)計(jì)體系。

3.2 熱噴涂工藝方法

隨著涂層質(zhì)量要求的提高以及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，在熱噴涂技術(shù)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化已成為必然的趨勢(shì)[5]。目前國外已經(jīng)基本建立了熱噴涂材料和相應(yīng)噴涂工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線重現(xiàn)和存儲(chǔ)。國內(nèi)基本上還處于工藝性階段，涂層質(zhì)量主要依靠經(jīng)驗(yàn)和嚴(yán)格的規(guī)程來保證。由于表面工程的飛速發(fā)展，熱噴涂技術(shù)與其它學(xué)科相互交叉滲透形成了新的表面處理工藝-復(fù)合表面工程技術(shù)。例如熱噴涂與熱處理工藝的復(fù)合，出現(xiàn)了爐內(nèi)燒結(jié)重熔和高頻感應(yīng)重熔涂滲等工藝；與電鍍或電刷鍍工藝的結(jié)合產(chǎn)生了鍍涂工藝和涂鍍工藝；與鑄造工藝復(fù)合出現(xiàn)了燒結(jié)噴熔和電火花燒結(jié)工藝等；與高能束表面處理技術(shù)復(fù)合出現(xiàn)了激光重溶和電子束重熔等。

3.3 應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究

熱噴涂技術(shù)是一個(gè)受高溫、高速、非均勻性等多參數(shù)影響的動(dòng)態(tài)過程，影響因素復(fù)雜。針對(duì)這種情況，各國十分重視熱噴涂技術(shù)的理論研究。目前，對(duì)熱噴涂技術(shù)的研究正從試驗(yàn)性工藝技術(shù)向著有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的工藝發(fā)展。

4 結(jié)語

熱噴涂材料和技術(shù)在國內(nèi)航空動(dòng)力的應(yīng)用與國外先進(jìn)技術(shù)相比有一定的差距。但是國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工程重視程度的增加，熱噴涂材料和技術(shù)必將在國內(nèi)航空動(dòng)力上發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王璐.熱噴涂技術(shù)在先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用及前景展位[J].有色金屬（冶煉部分），2008.

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[3] 賴師墨.控制航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)間隙的熱噴涂封嚴(yán)涂層[J].航空工藝技術(shù)，1995（3）：53.

[4] 徐濱士.材料的應(yīng)用與發(fā)展[J].材料工程，2001（12）：11-13.

[5] 趙力東.Erich L.熱噴涂技術(shù)的新發(fā)展[J].中國表面工程，2002：5-8.