耐海洋環(huán)境腐蝕的航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層技術(shù)及其發(fā)展

宋 佳，王 璐，袁福河，張佳平，李明康

（沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽(yáng)110044）

熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層（簡(jiǎn)稱(chēng)封嚴(yán)涂層）被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪等部位。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，葉片尖端對(duì)封嚴(yán)涂層產(chǎn)生刮削作用，從而減小發(fā)動(dòng)機(jī)徑向氣流間隙，減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體泄漏，獲得最大壓差，顯著提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率并降低油耗。數(shù)據(jù)顯示，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉尖間隙與葉片長(zhǎng)度比每增加1%，發(fā)動(dòng)機(jī)整體效率下降1.5%，油耗上升3%；壓氣機(jī)徑向間隙每增加0.076mm，發(fā)動(dòng)機(jī)的單位油耗量增加1%[1-2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)用可磨耗封嚴(yán)涂層在實(shí)際工作中與葉片、篦齒等零件刮磨，通過(guò)犧牲自身達(dá)到氣路封嚴(yán)，保護(hù)葉片?？赡ズ姆鈬?yán)涂層由起支撐作用的金屬相、潤(rùn)滑作用的非金屬相和降低涂層硬度的孔隙組成；通常采用等離子噴涂或火焰噴涂工藝方法制備，為底層/面層雙層結(jié)構(gòu)，保證涂層結(jié)合力的同時(shí)又起到封嚴(yán)作用?？赡ズ姆鈬?yán)涂層的工作環(huán)境及服役特點(diǎn)決定了其具有質(zhì)軟、多孔、多相、多層等組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

隨著海上和沿海地帶空軍防務(wù)力量的增加，越來(lái)越多的可磨耗封嚴(yán)涂層需在空氣濕度大、鹽堿重的惡劣環(huán)境中服役，然而到目前為止，航空發(fā)動(dòng)機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層的研究仍主要集中在耐沖蝕性、可磨耗性等服役性能的提高，在涂層設(shè)計(jì)方面缺乏耐蝕性的考慮，導(dǎo)致現(xiàn)役的封嚴(yán)涂層存在較大的海洋環(huán)境腐蝕隱患。雖然對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件腐蝕性能的研究已經(jīng)有所報(bào)道，但目前針對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層腐蝕問(wèn)題的研究報(bào)道還很少，尚未檢索到國(guó)外相關(guān)資料。

國(guó)內(nèi)科研院所也是近些年才開(kāi)展相關(guān)研究，尚未形成系統(tǒng)。中科院金屬所雷兵以Al-BN，CuAl-NiC和NiCrAl-NiC 3種涂層為代表，針對(duì)封嚴(yán)涂層模擬實(shí)際工況開(kāi)展腐蝕行為研究，得出Al-BN主要發(fā)生電偶腐蝕，各層之間的電化學(xué)性質(zhì)不匹配是導(dǎo)致嚴(yán)重電偶腐蝕的原因；CuAl-NiC和NiCrAl-NiC在中溫鹽和水蒸汽綜合作用環(huán)境下則發(fā)生嚴(yán)重的整體腐蝕破壞[3]。中科院過(guò)程工程研究所針對(duì)Ni-C、TiAl-BN的耐腐蝕性能開(kāi)展研究，得出Ni-C涂層在腐蝕環(huán)境中，在表面和內(nèi)部形成宏觀(guān)腐蝕電池，加速了涂層內(nèi)部金屬相的腐蝕[4]；TiAl-BN復(fù)合涂層在中性鹽霧腐蝕環(huán)境中發(fā)生鈍化現(xiàn)象，比Al-BN涂層更耐腐蝕[5]。

封嚴(yán)涂層腐蝕研究現(xiàn)狀

由于國(guó)外對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層腐蝕問(wèn)題的研究保密，對(duì)于不同狀態(tài)下封嚴(yán)涂層的腐蝕行為研究尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道。目前可查到資料僅為CFM56-7型發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層腐蝕失效破壞實(shí)例（圖1）。這臺(tái)裝配于波音737的CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)壓氣機(jī)的Al基封嚴(yán)涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)因腐蝕而完全破壞，涂層分層，并發(fā)生整體開(kāi)裂、剝離，失去封嚴(yán)效果。

封嚴(yán)涂層的腐蝕失效形式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全服役存在著嚴(yán)重的安全隱患。首先是難以發(fā)現(xiàn)，腐蝕通常發(fā)生在涂層內(nèi)部，常規(guī)檢測(cè)、觀(guān)察不易發(fā)現(xiàn)。其次危害嚴(yán)重，腐蝕破壞涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中一旦脫落，將被高速氣流吸入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，嚴(yán)重時(shí)可能毀壞發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件，造成安全事故。

圖1 CFM56-7型發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層失效實(shí)例Fig.1 CFM56-7 corrosion damage of abradable seal coating

中科院金屬研究所盧旭陽(yáng)等人研究（NiCoCrAlYSiB+AlSiY）涂層在高溫及低溫?zé)岣g條件下的腐蝕行為[6]，發(fā)現(xiàn)（NiCoCrAlYSiB+AlSiY）復(fù)合涂層相對(duì)于單一的NiCoCrAlYSiB涂層具有更好的抗高溫?zé)岣g能力，腐蝕環(huán)境中NaCl的存在會(huì)加劇腐蝕進(jìn)程。

在耐磨涂層的腐蝕行為研究中，有學(xué)者對(duì)WC-CoCr、FeCrSiB涂層進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在NaCl溶液和HCl溶液中，WC-CoCr涂層的耐腐蝕性明顯優(yōu)于鍍鉻涂層，但在NaOH溶液中，鍍鉻涂層發(fā)生劇烈鈍化形成保護(hù)膜，WC-CoCr涂層的耐腐蝕性弱于鍍鉻涂層[7]。FeCrSiB涂層與WCCoCr涂層類(lèi)似[8]，在中性和酸性的環(huán)境中耐蝕性能優(yōu)于鍍鉻涂層，但耐堿性溶液腐蝕能力不如鍍鉻涂層。在中性和酸性腐蝕環(huán)境中，F(xiàn)eCrSiB腐蝕過(guò)程可分為活性溶解、鈍化、過(guò)鈍化3個(gè)步驟，鈍化保護(hù)作用能有效提升FeCrSiB耐蝕性。

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)用可磨耗封嚴(yán)涂層的腐蝕機(jī)理報(bào)道不多，目前北京科技大學(xué)許存官及中科院過(guò)程工程研究所杜令忠等人采用掃描電鏡觀(guān)察結(jié)合能譜分析等方式對(duì)火焰噴涂的Ni-C涂層進(jìn)行了鹽霧腐蝕行為及電化學(xué)過(guò)程研究[4]。結(jié)果表明，在NaCl溶液中Ni-C封嚴(yán)涂層主要發(fā)生電偶腐蝕，溶液中的氧濃度是影響涂層腐蝕的重要因素，腐蝕速率隨氧濃度的提升而加快。同時(shí)，由于電偶腐蝕的作用，480h后涂層結(jié)合強(qiáng)度下降。分析認(rèn)為，由于孔洞結(jié)構(gòu)封閉使涂層內(nèi)外物質(zhì)交換受阻，涂層自身形成宏觀(guān)電化學(xué)腐蝕電池，加劇了涂層內(nèi)部鎳金屬相的腐蝕過(guò)程。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所的研究中比較了TiAl-BN與Al-BN涂層，TiAl-BN粉末材料為類(lèi)球形，BN作為核心外部包覆TiAl合金粉末，通過(guò)試驗(yàn)得出在封嚴(yán)涂層中加入Ti元素可以有效提升涂層的腐蝕電位，增強(qiáng)涂層的耐蝕性[5]。

熱噴涂涂層腐蝕機(jī)理

1 涂層在海洋環(huán)境中的腐蝕規(guī)律

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行和停放過(guò)程中會(huì)遇到各種不同的環(huán)境，根據(jù)結(jié)構(gòu)腐蝕調(diào)查，發(fā)動(dòng)機(jī)在不同環(huán)境中的腐蝕特點(diǎn)不盡相同，但主要發(fā)生在海洋大氣區(qū)內(nèi)，可以得到如下規(guī)律[9]：

（1）沿海地區(qū)的腐蝕比內(nèi)地嚴(yán)重，離海岸越近越嚴(yán)重；

（2）大氣污染嚴(yán)重地區(qū)的腐蝕比其他地區(qū)嚴(yán)重；

（3）南方沿海的腐蝕比其他沿海地區(qū)嚴(yán)重；

（4）在多雨水、多鹽霧或空氣濕度大、溫度高的地區(qū)腐蝕比較嚴(yán)重；

（5）服役日歷年限長(zhǎng)的腐蝕比服役時(shí)間短的嚴(yán)重；

（6）連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間停放的腐蝕比經(jīng)常使用和維護(hù)的嚴(yán)重。

在實(shí)驗(yàn)室研究階段得出[3]，常溫水溶液環(huán)境下，部分封嚴(yán)涂層的腐蝕速率隨環(huán)境氯離子濃度增加而增加，隨溫度的升高而加快，如Al-BN涂層；在中高溫且潮濕環(huán)境下，涂層中金屬相抗氧化能力弱是引發(fā)涂層腐蝕的主要因素，石墨相的存在是加速封嚴(yán)涂層金屬基腐蝕速率的又一因素，如CuAl-NiC、NiCrAl-NiC涂層。

2 涂層在海洋環(huán)境中的腐蝕分類(lèi)及腐蝕機(jī)理

按腐蝕發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)服役狀態(tài)分類(lèi)，可分為飛行環(huán)境和停放環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命的90%為停放狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)在加工、裝配、運(yùn)輸、運(yùn)行、存放和修理過(guò)程中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能發(fā)生腐蝕，尤其是在靠近沿海地區(qū)的存儲(chǔ)及服役環(huán)境下，腐蝕問(wèn)題將更為嚴(yán)重。

2.1 停放期間涂層腐蝕

發(fā)動(dòng)機(jī)在停放時(shí),從封嚴(yán)涂層失效機(jī)理可主要分為閉塞區(qū)腐蝕和電偶腐蝕。

（1）閉塞區(qū)腐蝕。

可磨耗封嚴(yán)涂層具有連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)，在腐蝕性環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)能夠通過(guò)孔隙向涂層內(nèi)部滲透，其腐蝕機(jī)理與縫隙腐蝕以及點(diǎn)蝕相似。它們的共同特點(diǎn)是在縫隙、蝕孔內(nèi)部存在“閉塞電池”。由于閉塞的幾何條件，縫隙、孔內(nèi)外存在對(duì)流和擴(kuò)散障礙，隨著腐蝕的進(jìn)行閉塞區(qū)內(nèi)溶液會(huì)發(fā)生貧氧、酸化、Cl-富集等變化，腐蝕條件惡化。閉塞區(qū)內(nèi)外電化學(xué)條件的差異產(chǎn)生自催化加速腐蝕效應(yīng)[10-12]。

（2）電偶腐蝕。

封嚴(yán)涂層體系一般由可磨耗表層、連接層、基體3部分構(gòu)成，由于不同層的材料不同、結(jié)構(gòu)不同、開(kāi)路電位不同，因此在不同層之間、同層的不同材料之間形成電位差，滿(mǎn)足電偶腐蝕產(chǎn)生的熱力學(xué)因素；封嚴(yán)涂層因其服役性能要求具有多孔，在不同層之間由于孔隙存在可以形成導(dǎo)通的回路，在高電位區(qū)域與低電位區(qū)域之間形成暢通的電子通道和離子通道，滿(mǎn)足電偶腐蝕產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)因素；當(dāng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)，即可發(fā)生電偶腐蝕。

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)用Al-BN封嚴(yán)涂層為例，在含氯介質(zhì)中，涂層會(huì)發(fā)生Al-BN表層、NiAl連接層和不銹鋼基體3部分的電偶腐蝕。在3部分的腐蝕電偶中，Al-BN為陽(yáng)極，優(yōu)先腐蝕。通常發(fā)生電偶腐蝕的涂層，會(huì)引起表層或連接層甚至基體的破壞，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)涂層的破壞以及結(jié)合強(qiáng)度的降低[13]。

在停放期間，海洋環(huán)境中的真菌和霉菌沉積在金屬表面，加速了金屬的腐蝕。另外，航空發(fā)動(dòng)機(jī)在停放時(shí)將受到廢氣和尾氣中的硫化物、氮氧化物與海洋鹽霧組合成的pH值為2.4～4.0 的酸性潮濕層腐蝕，再形成酸性液膜，加速了涂層的失效[14-15]。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)腐蝕機(jī)理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役狀態(tài)下，通常面臨中溫鹽和水蒸汽綜合作用腐蝕，即在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，外部氣體被壓入發(fā)動(dòng)機(jī)中，隨著壓氣機(jī)級(jí)數(shù)的升高，氣壓和氣體溫度隨之升高，在壓氣機(jī)區(qū)域溫度可達(dá)300～700℃。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在海洋環(huán)境下服役運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，大氣中的鹽分將隨氣體被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)中，沉積在壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣內(nèi)表面，形成沉積鹽膜。在壓氣機(jī)區(qū)域溫度下，沉積鹽以固態(tài)形式存在，一旦氣氛中含有水蒸汽，涂覆于壓氣機(jī)部位的封嚴(yán)涂層將遭受中溫固態(tài)鹽膜和水蒸汽協(xié)同作用下的腐蝕，造成封嚴(yán)涂層嚴(yán)重的腐蝕失效。

未來(lái)發(fā)展展望

1 設(shè)計(jì)新型抗腐蝕涂層材料體系

熱噴涂封嚴(yán)涂層中使用的復(fù)合粉體材料根據(jù)使用部位的不同而多種多樣，表1列出航空發(fā)動(dòng)機(jī)上常見(jiàn)的可磨耗封嚴(yán)涂層。

表1 常用可磨耗封嚴(yán)涂層材料

隨著我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境和區(qū)域范圍的增加，對(duì)熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層的抗海洋腐蝕能力提出了明確要求，現(xiàn)有涂層材料體系已經(jīng)不能滿(mǎn)足實(shí)際使用，發(fā)展新型的抗海洋腐蝕涂層材料迫在眉睫?；陔娀瘜W(xué)腐蝕的特點(diǎn)，選擇電極電位比部件基體材料低的的元素形成涂層，充當(dāng)電化學(xué)腐蝕電池中的陽(yáng)極，先失去電子不斷被腐蝕，而電位較高的基體材料成為陰極，不斷得到電子而受到保護(hù)。由于石墨具有較高的自腐蝕電位，會(huì)引起封嚴(yán)涂層內(nèi)部金屬相與非金屬相間的電偶腐蝕，導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度急劇下降；六方氮化硼具有極小的導(dǎo)電性，可以有效抑制涂層內(nèi)不同相組成間發(fā)生的電偶腐蝕，因此中科院過(guò)程工程研究所采用六方BN替代石墨作為潤(rùn)滑相材料，開(kāi)發(fā)新型耐腐蝕涂層粉末。

2 優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)

目前，常見(jiàn)封嚴(yán)涂層體系為基體→粘接層（底層）→功能層（面層），現(xiàn)階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)粘接層通常采用鎳鋁或鎳鋁鎢，面層根據(jù)涂層服役工況進(jìn)行選擇。當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)用封嚴(yán)涂層在選材時(shí)通常僅考慮涂層的使役性能，對(duì)涂層的耐腐蝕性能并未納入其中?；w與粘接層、粘接層與功能層之間的電勢(shì)對(duì)涂層的腐蝕速率有很大影響，優(yōu)化涂層基體/粘接層/功能層3者之間的電化學(xué)性能匹配，對(duì)熱噴涂封嚴(yán)涂層的耐腐蝕性能具有重要的意義。有研究表明[3]，將Ni5Al粘接層替換為Ni20Al粘結(jié)層，可以降低涂層體系電偶腐蝕過(guò)程中的電偶電位，從而抑制鋁基封嚴(yán)涂層的自發(fā)點(diǎn)蝕行為，降低涂層體系腐蝕速率。

3 加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)存放期間管理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役壽命的90%為停放狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)存放期間的防腐蝕管理就變得尤為重要。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在濕熱的海洋性氣候下停放時(shí)，盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)處于陰涼通風(fēng)的環(huán)境中，降低環(huán)境的濕度，降低涂層腐蝕速率。在發(fā)動(dòng)機(jī)停放期間，對(duì)封嚴(yán)涂層表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑淳S護(hù)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)置于通風(fēng)陰涼處，可以在一定程度上減緩已經(jīng)服役封嚴(yán)涂層的腐蝕速率。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)停放場(chǎng)所，存放封嚴(yán)涂層模擬試驗(yàn)件，跟蹤發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涂層腐蝕情況。在預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)涂層腐蝕情況的同時(shí)，又可以積累發(fā)動(dòng)機(jī)存放期間涂層腐蝕數(shù)據(jù)，避免因未發(fā)現(xiàn)涂層腐蝕而引發(fā)飛行事故。

4 建立熱噴涂涂層腐蝕性能測(cè)試方法

豐富封嚴(yán)涂層性能檢測(cè)手段，完善封嚴(yán)涂層性能評(píng)價(jià)體系和選材體系，建立封嚴(yán)涂層模擬實(shí)際工況試驗(yàn)裝置，是滿(mǎn)足熱噴涂工藝以及穩(wěn)定批量供應(yīng)和高質(zhì)量批量生產(chǎn)的必要條件。目前，金屬材料耐腐蝕性測(cè)試可依據(jù)ASTM G76 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而涂層的腐蝕性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及主要性能指標(biāo)尚未頒布。因涂層的多孔、多相、多層結(jié)構(gòu)，在腐蝕過(guò)程中呈現(xiàn)出多元性、復(fù)雜性等特點(diǎn)，不能與金屬材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)混用，需編制涂層專(zhuān)用腐蝕測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。目前，航空行業(yè)部分研究院所及制造單位正在累積相應(yīng)數(shù)據(jù)，為編制涂層腐蝕性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。命的設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)航空事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其對(duì)艦載飛機(jī)、沿海飛機(jī)等需求激增，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的海洋環(huán)境腐蝕損傷及其防護(hù)研究已成為熱點(diǎn)。需要涂層體系設(shè)計(jì)、涂層材料開(kāi)發(fā)和工藝研制等領(lǐng)域的技術(shù)人員攜手攻關(guān)，通過(guò)大量嚴(yán)苛的試驗(yàn)測(cè)試，完成耐海洋腐蝕熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層在海洋環(huán)境中腐蝕失效機(jī)理研究、服役壽命預(yù)測(cè)等方面均需加大科研力度，以便為設(shè)計(jì)部門(mén)提供可靠的數(shù)據(jù)支持及解決方案。另外，相關(guān)科研單位應(yīng)著手準(zhǔn)備建立涂層在海洋環(huán)境中腐蝕測(cè)試方法，完善封嚴(yán)涂層的海洋腐蝕性能測(cè)試技術(shù)，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層在海洋環(huán)境中服役壽

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