航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的先進(jìn)防護(hù)涂層

劉 敏

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)據(jù)中心情報信息處，遼寧 沈陽 110043）

航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的先進(jìn)防護(hù)涂層

劉 敏

（沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司數(shù)據(jù)中心情報信息處，遼寧 沈陽 110043）

本文主要介紹了包埋滲透法、非接觸式滲、和化學(xué)氣相沉積（CVD）等幾種鋁化物擴(kuò)散涂層的沉積方法，并闡述了制備耐熱涂層和耐侵蝕、腐蝕涂層的主要工藝特點(diǎn)。

包埋滲透法；非接觸式滲；化學(xué)氣相沉積；耐熱涂層

1.簡介

現(xiàn)代發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上的進(jìn)步引領(lǐng)了新型涂層的發(fā)展并對以前應(yīng)用的涂層進(jìn)行了改良。發(fā)動機(jī)的前半部分即冷卻端，包括風(fēng)扇和壓氣機(jī)，典型應(yīng)用耐磨蝕涂層和密封涂層。就現(xiàn)代發(fā)動機(jī)來說，像風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片和葉輪等這種冷卻端零部件，都是由復(fù)合材料、鈦鋁合金、鈦和耐熱鋼制造而成。但在發(fā)動機(jī)的受熱端，包括燃燒室區(qū)域和渦輪部分，應(yīng)用的是熱障涂層（TBCs）和高溫密封涂層。本論文的目的是展示作者本人在鋁化物擴(kuò)散涂層、熱障涂層和耐侵蝕、腐蝕涂層方面的研究。

2.鋁化物擴(kuò)散涂層沉積方法

要增強(qiáng)渦輪零部件尤其是動、靜葉片和燃燒室的耐久性和提高服役溫度，可以通過應(yīng)用防護(hù)涂層來實現(xiàn)。高溫合金零部件對各種涂層的需求導(dǎo)致涂層在30多年來的應(yīng)用中迅猛發(fā)展。涂層的演變同時還伴隨著結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展?，F(xiàn)如今，工程師和制造師有多種涂層沉積技術(shù)可供使用，能制備出黏結(jié)、擴(kuò)散和粘擴(kuò)散涂層，其中大多數(shù)都是由通用技術(shù)發(fā)展改進(jìn)的，例如化學(xué)氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）或熱噴涂技術(shù)。

2.1包埋滲法

擴(kuò)散涂層主要在擴(kuò)散滲鋁過程中，或在滲透復(fù)合物Al-Cr、Al-Si、Pt-Al、Ti-Al過程中沉積而成。在粉末滲透過程中，將待涂鍍零件置于特定容器內(nèi)，然后用專用的粉末混合劑將零件包埋，該混合劑含有像Al2O3、鋁化物粉末或合金以及化學(xué)活化劑等中性添加物。接下來將容器密封好置于爐內(nèi)，化學(xué)活化劑在700℃～1050℃的限定工藝溫度范圍內(nèi)會產(chǎn)生輸送蒸汽源。擴(kuò)散滲鋁工藝以這種方式通常持續(xù)工作長達(dá)20個小時，并要嚴(yán)格控制以防止粉末混合劑氧化。要獲得不同厚度或Al濃度的涂層可采用多種類粉末工藝。所說的多種類粉末可以分為高度、中度和低度活化粉末。在鋁化物涂層沉積過程中，在高溫約1050℃下生成低鋁含量NiAl相（低活性過程），而在700℃下則生成高鋁含量NiAl相（高活性過程）。

2.2非接觸式滲

非接觸式滲是將待滲零件置于容器內(nèi)，避免其與粉末混合劑相接觸，該混合劑通常呈顆粒狀。此工藝過程是在甑式爐或真空爐內(nèi)完成的。在整個涂層沉積過程中需向容器內(nèi)供應(yīng)額外的中性運(yùn)載氣體，以輸送出沉積涂層時產(chǎn)生的混合氣體?，F(xiàn)有幾種不同的非接觸式滲透法正在被應(yīng)用，包括負(fù)壓滲透工藝、由SNECMA研發(fā)的脈沖氣相滲鋁工藝以及用兩種不同化學(xué)成分的混合物進(jìn)行的滲透工藝似乎最具吸引力。該方法的主要益處如下：無需待滲材料與粉末接觸，這一點(diǎn)能顯著提高涂層的表面質(zhì)量；可對整個工藝過程實施更多的控制；工藝過程更加整潔（與粉末工藝相比）；以及鋁化物涂層可以通過添加元素進(jìn)行改良以提高其耐熱性能。圖1所示為鉑改良鋁化物涂層的顯微結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在鍍鉑和鍍鋁過程中獲取的。

鉑改良鋁化物涂層能提高耐熱性能，已在1100℃下1小時循環(huán)的試驗室抗氧化循環(huán)試驗中得以證實。

2.3CVD滲鋁技術(shù)

化學(xué)氣相沉積技術(shù)由上述鋁化物擴(kuò)散涂層沉積技術(shù)演變而來。化學(xué)氣相沉積過程中將渦輪葉片置于甄內(nèi)，并向甄內(nèi)供應(yīng)在外部反應(yīng)器內(nèi)生成的AlCl3+H2氣體。AlCl3氣體是在含有鋁化物的受熱生成器內(nèi)與HCI發(fā)生反應(yīng)后形成的。然后預(yù)熱AlCl3+H2，在溫度約達(dá)1000℃時供應(yīng)到甄內(nèi)。裝有氣體的化學(xué)氣相沉積甄通常在鐘罩式爐、均熱爐或升降式爐內(nèi)加熱到工作溫度。存留在甄內(nèi)的反應(yīng)氣體用特殊氣體中和系統(tǒng)進(jìn)行處理。滲鋁法能同時涂覆渦輪葉片的內(nèi)外表面，尤其是冷卻通道，該區(qū)域用其他涂覆方法就比較難處理。除此之外，應(yīng)用該工藝還可以調(diào)節(jié)冷卻率，這對幾種鑄造高溫合金熱工作參數(shù)的計算至關(guān)重要。

3.熱障涂層制備工藝

由于燃燒室零部件和動靜葉片上采用熱障涂層，所以進(jìn)口溫度可以有所增加。與涂有陶瓷涂層的材料表面溫度相比，采用熱障涂層能使所應(yīng)用的高溫合金表面溫度降低170℃左右。此外，熱障涂層能降低必需的冷卻空氣量，同時能保持恒定的排氣溫度，而且能顯著提高零部件的耐久性和抗熱變能力。

熱障涂層是由含有ZrO2xY2O3的陶瓷面層和含有MCrAlY（M=Ni，Co，F(xiàn)e）的黏結(jié)層構(gòu)成的。較低的導(dǎo)熱性再結(jié)合陶瓷材料的特性能降低黏結(jié)層之上的層間溫度，這就能使熱障涂層的抗氧化性和抗高溫腐蝕性有所提高。

最通用的熱障涂層制備技術(shù)有APS（空氣等離子噴涂）、LPPS（低壓等離子噴涂）或EB-PVD（電子束物理氣相沉積）。熱噴涂技術(shù)通常用來制備燃燒室零部件及靜葉片上應(yīng)用的TBCs（熱障涂層），而動葉片上應(yīng)用的熱障涂層一般采用EB-PVD技術(shù)制備。

用空氣等離子噴涂技術(shù)和EB-PVD技術(shù)制備的TBCs在結(jié)構(gòu)和性能上各有不同。等離子噴涂的涂層顯示為帶狀結(jié)構(gòu)，而EBPVD制備的涂層以柱狀結(jié)構(gòu)為特征。等離子噴涂的熱障涂層易受熱應(yīng)力影響，有大量的微裂紋產(chǎn)生和生長從而導(dǎo)致出現(xiàn)裂解現(xiàn)象，這也有可能致使涂層完全剝落。眾所周知，在陶瓷層與MCrAlY層之間形成的TGO（熱生長氧化物）層對熱障涂層的耐久性有很大的影響。TGO層對熱障涂層性能的影響，尤其是對結(jié)構(gòu)和厚度的影響，成為當(dāng)前研究的主要課題。

采用EB-PVD技術(shù)制備出的熱障涂層結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中顯示出更強(qiáng)的抗熱應(yīng)力能力。不僅僅是因為在沉積過程中形成的有特點(diǎn)的柱狀結(jié)構(gòu)在熱循環(huán)期間起到較好的應(yīng)力補(bǔ)償作用，還有這種結(jié)構(gòu)能防止涂層基底出現(xiàn)裂紋。

4.耐侵蝕、腐蝕涂層制備工藝

應(yīng)用防護(hù)涂層可以防止航空發(fā)動機(jī)零部件遭受腐蝕損傷。發(fā)展PVD技術(shù)目的在于提高涂層的性能并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。由目前研發(fā)的PVD技術(shù)獲得的涂層成為航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片最具吸引力的涂層制備技術(shù)之一。用于這種特殊結(jié)構(gòu)件的防護(hù)涂層必須符合多方面要求，既包括機(jī)械性能的還包括耐腐蝕和耐磨損方面的。

Arc-PVD屬于PVD技術(shù)的一種，制備出的防護(hù)涂層種類廣泛，當(dāng)然也包括多層涂層。該技術(shù)以高的電離度和相對高的沉積能力為特征。Arc-PVD的主要優(yōu)勢在于制備出的涂層不僅非常堅固耐磨，而且耐腐蝕性極強(qiáng)。

由PVD技術(shù)制備的涂層中，氮化鉻涂層較其它氮化物涂層的耐腐蝕性相對更高一些，原因在于該涂層結(jié)構(gòu)精細(xì)密實且密度高?？梢酝ㄟ^應(yīng)用鉻或鋁夾層來提高氮化鉻涂層的密度，其密度的高低在很大程度上決定了涂層的耐腐蝕性能。

Arc-PVD技術(shù)制備的鉻涂層對鋼基合金的粘結(jié)性最強(qiáng)，高達(dá)80N，另外，它能對之后的Cr/CrN多層涂層中較硬的氮化鉻層提供完美的粘結(jié)效果。除此之外，也一直在嘗試制備鋁粘結(jié)層和Al/ AlN多層涂層。

鋁基涂層是最具發(fā)展前景的陰極保護(hù)涂層。通過磁控管濺射獲得的涂層顯示出良好的耐腐蝕性，但是這種涂層的摩擦性能卻很差。采用PVD技術(shù)制備出的涂層具有較強(qiáng)的耐腐蝕性當(dāng)然是最合理也是最可取的，尤其是在自動化和飛機(jī)制造業(yè)領(lǐng)域。沉積到鋼質(zhì)材料上的Al、AlMg、Cr、Cr/CrN和Cr/CrN/Al涂層有望取代主要以電沉積工藝制備的鎘涂層。

Arc-PVD制備的多層涂層由氮化鉻組成且包含鉻夾層，其具有很高的耐腐蝕性。這種涂層也被公認(rèn)為靈敏涂層，因為它們的結(jié)構(gòu)能根據(jù)作業(yè)條件決定磨損強(qiáng)度。經(jīng)證實葉片進(jìn)氣邊上相對軟的鉻涂層很少遭受損傷，而排氣邊上的氮化物硬化層能提供有效的防腐蝕保護(hù)。

結(jié)論

提高發(fā)動機(jī)效率和可靠性可以通過應(yīng)用防護(hù)涂層得以實現(xiàn)。防護(hù)涂層系統(tǒng)的發(fā)展新趨勢很可能包括制備多層涂層、梯度涂層和改良涂層，它們在性能上要超過目前已有的涂層。采用CVD技術(shù)制備耐熱擴(kuò)散涂層、噴涂熱障涂層來調(diào)節(jié)比迄今為止所能達(dá)到的還要高的溫度以及將EB-PVD技術(shù)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)葉片，這些就是本文作者的當(dāng)前研究課題。

［1］李民，程玉賢.航空發(fā)動機(jī)用高溫防護(hù)涂層研究進(jìn)展［J］.中國表面工程，2012，25（1）：16-21.

TG174

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