石墨烯涂層在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高渦葉片中的應(yīng)用

古鳴 胡朝剛 陳犇 張國俊 湯浩 閆俊良

摘要：某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片長期服役后，其前緣處易產(chǎn)生燒蝕脫落現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)可靠使用。為改善高渦葉片前緣燒蝕問題，通過吹砂、噴涂及燒結(jié)等方式在葉片前緣處涂覆石墨烯涂層以作應(yīng)用研究，結(jié)果表明：葉片石墨烯涂層厚度均勻，組織致密，富含ZrO2和Cr2O3，其相關(guān)力學(xué)、熱學(xué)性能滿足使用要求，經(jīng)長試后發(fā)現(xiàn)石墨烯涂層對葉片的進(jìn)氣邊前緣燒蝕有明顯的防護(hù)改善作用。

關(guān)鍵詞：石墨烯涂層；高壓渦輪葉片；燒蝕；防護(hù)

Keywords：grapheme-coating；high pressure turbine blade；ablation；prevention

1 研究背景

石墨烯是已知材料中強(qiáng)度和硬度最高的晶體材料，具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)及光學(xué)性能等，將石墨烯與其他材料進(jìn)行復(fù)合，可形成具備不同功能的石墨烯涂層材料。石墨烯涂層作為世界前沿的新技術(shù)研究材料，目前歐美國家已經(jīng)應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，但在我國多數(shù)還處于試驗(yàn)研究階段，在工程化應(yīng)用方面的研究仍不足，如何將石墨烯優(yōu)異的性能有效融合進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)之中，是當(dāng)前國內(nèi)航空航天企業(yè)不懈追求的方向[1]。

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)長期服役后，其高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片（以下簡稱高渦葉片）前緣易產(chǎn)生燒蝕故障，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的后續(xù)正常使用，引起客戶方強(qiáng)烈的關(guān)切與抱怨，客戶曾多次主動(dòng)溝通希望技術(shù)方能對葉片燒蝕問題進(jìn)行改善研究?；诖耍槍Ω邷u葉片燒蝕故障的分析、防護(hù)及修復(fù)等研究工作顯得尤為迫切與重要。產(chǎn)生高渦葉片燒蝕故障的發(fā)動(dòng)機(jī)，通常都是在高粉塵的環(huán)境中服役，其典型特征為葉片葉身表面沉積著黃褐色的附著物層，并在葉片進(jìn)氣邊前緣離葉尖10～25mm范圍內(nèi)有明顯發(fā)黑的燒傷痕跡，使前緣表面形貌更顯粗糙（見圖1）。通過對高渦葉片進(jìn)行解剖分析，可知葉身表面的附著物為（CaO-MgOAl2O3-SiO2）多相復(fù)雜玻璃相物質(zhì)，簡稱CMAS[2，3]，這是由于空氣中的微塵（如冰晶、火山灰、大氣微粒等）吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)前端磨屑等進(jìn)入燃燒室中，導(dǎo)致富含CaO、MgO、Al2O3、SiO2等物質(zhì)在焰流中熔融，并沉積在葉片高溫表面，使葉身表面發(fā)黃和變得粗糙，特別是在葉片前緣高溫處，CMAS層會(huì)使前緣表面更加粗糙并加劇葉片的燒蝕惡化。

通常，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高渦葉片是采用涂覆熱障涂層（TBCs）來進(jìn)行燒蝕防護(hù)的，該涂層由底層MCrAlY和面層ZrO2（YSZ）組成。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱障涂層中的ZrO2（YSZ）組分不耐CMAS層的腐蝕[4]，其防護(hù)時(shí)間不能長久保持導(dǎo)致維護(hù)周期較短，不適宜本文所述高渦葉片的維護(hù)保養(yǎng)需求。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，某石墨烯涂層在性能上可媲美現(xiàn)有的熱障涂層，并已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗氧化涂層，完全可用于高壓渦輪葉片的表面防護(hù)。本文將對該石墨烯隔熱涂層的應(yīng)用進(jìn)行簡單描述，旨在為行業(yè)內(nèi)高渦葉片的防護(hù)及維修提供新的方法參考。

2 試驗(yàn)材料與工藝

本研究以某發(fā)動(dòng)機(jī)單晶高渦葉片為研究對象，所用石墨烯涂層為石墨烯基稀土復(fù)合漿料，是由石墨烯、稀土元素、無機(jī)粘結(jié)劑三部分混合組成。即將一定比例的石墨烯在相應(yīng)的溫度環(huán)境下混合到由氧化鋯、氧化鋁、氧化硅等組成的粉體之中，再加入無機(jī)粘結(jié)劑所形成。石墨烯涂覆高渦葉片工藝為：葉片在涂覆前，首先進(jìn)行清洗，用干凈汽油或其他除油溶劑進(jìn)行浸泡并進(jìn)行超聲波清洗，保證待涂葉身表面清潔，同時(shí)對非噴涂部位進(jìn)行遮蔽防護(hù)，特別是葉身尾緣處的冷卻孔，應(yīng)避免噴砂及雜物落入；噴砂所用的新砂應(yīng)曬干，噴砂后用潔凈壓縮空氣清除表面灰塵和顆粒，在12h內(nèi)必須進(jìn)行石墨烯涂層噴涂工作，以防止葉片噴砂后表面氧化；將石墨烯涂層漿料調(diào)至合適噴涂的粘度，可用目測法進(jìn)行檢查，即用木棒將涂層漿料攪均后挑起至20cm高處停下觀察，若漿料在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)流動(dòng)不斷線，且在數(shù)秒后才斷流變成滴狀則可；將葉片裝入噴涂專用夾具上，夾具也需進(jìn)行遮蔽防護(hù)，噴涂空氣壓力控制在0.3～0.5MPa間，若壓力過小會(huì)使涂層漿料霧化不良，表面形成麻點(diǎn)，壓力過大易導(dǎo)致流掛且噴霧過濃，既浪費(fèi)漿料又影響操作；噴嘴與葉片的接觸距離以25～40cm為宜，噴槍以10～15m/min的速度均勻運(yùn)作，噴涂時(shí)下一道要壓住上一道的1/3或1/4，這樣不易出現(xiàn)漏噴；石墨烯涂層只噴涂在葉片前緣部位，共噴涂3遍，每涂一層干燥時(shí)間為5～15min，或使用烘箱烘干，時(shí)間為3～5min，每層厚度約10μm；將噴涂好的葉片放入真空爐中進(jìn)行燒結(jié)，工藝參數(shù)為溫度950±10℃、保溫5min、真空度10-5～ 10-6mmHg。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 服役高渦葉片表面形貌

高渦葉片在實(shí)際服役時(shí)，一方面受到高溫燃?xì)獾臎_刷與氧化，另一方面空氣中的粉塵在高溫燃?xì)獾淖饔孟庐a(chǎn)生液化，伴隨著氣流附著于葉身表面，形成黃褐色的CMAS附著物層，使其表面粗糙不均勻，且局部存在燒蝕現(xiàn)象。接近葉片榫頭部位的區(qū)域附著物層薄，表面粗糙度小，表面呈淺褐色；處于葉片高速截面部位的進(jìn)氣邊區(qū)域附著物層厚，表面粗糙度大，燒蝕通常就發(fā)生在該區(qū)域。

圖2為服役高渦葉片的葉身表面組織形貌，圖中將表面組織劃分為四個(gè)區(qū)域。區(qū)域1是葉片在服役過程中產(chǎn)生的氧化膜和積垢，主要為CMAS附著物層；區(qū)域2是葉片原始的MCrAlY涂層；區(qū)域3是原始沉積態(tài)涂層在真空擴(kuò)散過程中形成的互擴(kuò)散區(qū)；區(qū)域4是葉片涂層與基體的互擴(kuò)散所形成的二次反應(yīng)區(qū)。區(qū)域2的厚度約為42μm，區(qū)域3和4的總厚度約為38μm。為確保不破壞高渦葉片原有的MCrAlY涂層，在對區(qū)域1進(jìn)行噴砂去除后，在區(qū)域2的MCrAlY涂層表面直接進(jìn)行石墨烯涂層的涂覆，對于直接去除區(qū)域1～4后再進(jìn)行石墨烯涂層涂覆的工藝本文不作研究。

3.2 高渦葉片涂層形貌

圖3為高渦葉片前緣噴涂石墨烯涂層后情況。其表面呈深灰色，涂層致密且完整，肉眼未見雜質(zhì)點(diǎn)、漏底、流墜、龜裂、氣泡及破裂等明顯缺陷。在掃描電鏡下對葉身的表面及截面進(jìn)行觀察（見圖4），可知葉身表面組織致密，除灰色基體外，可見均勻分布的白色強(qiáng)化相，未見局部偏析及孔洞等特征。

由圖5可知，葉片截面石墨烯涂層厚度均勻，約為25～35μm，組織較為致密，未見分層及開裂特征，其間均勻分布有顆粒狀、塊狀的白色強(qiáng)化相。對葉片涂層表面的灰色基體相和白色強(qiáng)化相做能譜成分對比分析，其能譜譜線如圖6所示，在基體相中K、Ni含量較高，在強(qiáng)化相中Zr、Cr、O含量較高，由此推測強(qiáng)化相主要為ZrO2和Cr2O3。

3.3 高渦葉片涂層性能

對高渦葉片石墨烯涂層試樣進(jìn)行顯微硬度檢查，試驗(yàn)載荷為50g，載荷加載時(shí)間15s，結(jié)果見表1，其顯微維氏硬度平均值為542，滿足產(chǎn)品硬度HV0.05不小于450的要求。另外，對葉片石墨烯涂層按HB5476-1991《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，結(jié)果見表2，可知涂層平均拉伸強(qiáng)度為49MPa，已達(dá)到產(chǎn)品強(qiáng)度≥35MPa的要求。

按照高渦葉片涂層對抗熱震性能的要求，對石墨烯涂層進(jìn)行1100℃±10℃/5min/水冷/60次的熱震考核試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，涂層每經(jīng)30次熱震循環(huán)后，表面狀態(tài)變化不大，其致密性完好，總體保持原狀，未出現(xiàn)涂層起泡及剝落。表明涂層至少能承受60次的抗熱震循環(huán)考核，滿足相關(guān)要求。

為考察該石墨烯隔熱涂層在高溫條件下的抗氧化能力，按HB5258-2000《鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗(yàn)方法》中的重量增加法對涂層進(jìn)行抗氧化性測定試驗(yàn)。試驗(yàn)采用該高渦葉片單晶合金試樣，尺寸為30mm×10mm×1.5mm，表面噴涂0.02～0.05mm厚度的涂層，一共5個(gè)試樣，試樣條件為1100℃，每保溫25h進(jìn)行一次出爐冷卻、稱重，試驗(yàn)共進(jìn)行275h，11個(gè)周期。試驗(yàn)后5個(gè)試樣表面涂層完好，無脫落、開裂等嚴(yán)重外觀缺陷（見圖8），平均氧化速度為0.0598g/m2？h，抗氧化性能級(jí)別為完全抗氧化級(jí)。

按圖9所示的隔熱效果測量方法，將帶有石墨烯隔熱涂層和未帶石墨烯隔熱涂層的試驗(yàn)件同時(shí)放入測定爐內(nèi)，在冷卻氣沖刷條件下，兩試驗(yàn)件的內(nèi)壁溫度將不同，可通過兩試驗(yàn)件內(nèi)壁的溫度差ΔT來評定石墨烯隔熱涂層的隔熱效果。帶有石墨烯隔熱涂層和未帶石墨烯隔熱涂層的試樣共6件，分3組進(jìn)行對比測量，試驗(yàn)冷卻氣體流速為40±0.5m/s，冷卻氣體溫度為（60±5）℃，試驗(yàn)溫度分別為900℃、1000℃、1100℃，測量結(jié)果如表3所示。由表可知，在900℃/1000℃/1100℃下隔熱ΔT溫差在40℃左右，已達(dá)到同級(jí)別熱障涂層的性能要求。

對石墨烯涂層進(jìn)行熱導(dǎo)率測試，采用激光熱導(dǎo)儀，用脈沖激光瞬態(tài)熱流法測試兩個(gè)試樣的比熱，以及在不同溫度時(shí)的熱擴(kuò)散系數(shù)，再結(jié)合公式計(jì)算出熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率λ與熱擴(kuò)散系數(shù)α、密度ρ、比熱cρ的關(guān)系符合公式λ=α？ρ？cρ；2件石墨烯涂層試樣的熱導(dǎo)率測試值如表4所示，從室溫到高溫條件下石墨烯涂層的熱導(dǎo)率處于2.2～3.0W/m·K之間，這與同級(jí)別熱障涂層不大于1.5W/m·K的要求相差較大，從數(shù)據(jù)上也反映出石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。

結(jié)合某鑄造高溫合金錠技術(shù)條件，對帶石墨烯涂層和未帶石墨烯涂層的試樣進(jìn)行拉伸和持久性能測試，結(jié)果如表5、表6所示。從中可知涂覆石墨烯涂層對基材試樣的性能影響不大，而且所有試驗(yàn)性能均已超過相關(guān)技術(shù)條件要求，表明石墨烯涂層試樣的拉伸性能完全可靠。

3.4 試車考核

將4件涂有石墨烯涂層的高渦葉片（發(fā)動(dòng)機(jī)原裝）、4件未涂石墨烯涂層的高渦葉片（新品待裝）及其余未涂石墨烯涂層的高渦葉片（發(fā)動(dòng)機(jī)原裝）一并裝于渦輪盤，其中帶有涂層的原裝葉片與未帶涂層的新品葉片按四點(diǎn)圓周均布的位置方向進(jìn)行裝配（見圖10），未帶涂層的原裝高渦葉片按規(guī)程正常裝配，整個(gè)渦輪盤將隨其他部件作航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配，以供地面臺(tái)架試車考核。根據(jù)相關(guān)考核要求，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車時(shí)間應(yīng)不低于300h，石墨烯涂層抗燒蝕情況應(yīng)不弱于原裝新品葉片涂層。圖11所示為試車后各類高渦葉片的外觀形貌對比圖，從中可以清楚地發(fā)現(xiàn)，試車后帶石墨烯原裝葉片的前緣燒蝕程度較輕，未帶石墨烯原裝葉片的前緣燒蝕程度較深，而未帶石墨烯新品葉片的前緣燒蝕程度處于二者之間。該結(jié)果表明，服役后的高渦葉片在前緣涂覆石墨烯涂層后，具有明顯的抗高溫腐蝕作用，其效果甚至優(yōu)于原裝新品葉片涂層，已嚴(yán)格滿足試車考核相關(guān)要求。

4 綜合分析

在通常使用中，高渦葉片表面會(huì)不斷地沉積CMAS層，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)燃油噴嘴霧化不良、燃燒不均勻，將產(chǎn)生富油燃燒使火焰后移，會(huì)造成高渦葉片前緣局部承受持續(xù)的超高溫作用，該作用將強(qiáng)烈引起CMAS的熔融，高溫環(huán)境及CMAS的腐蝕會(huì)嚴(yán)重加劇對葉片前緣原始MCrAlY涂層的破壞，使涂層局部產(chǎn)生溶解并形成燒蝕點(diǎn)，隨前緣處燃?xì)鉀_刷及熱應(yīng)力的進(jìn)一步影響，燒蝕點(diǎn)逐步擴(kuò)大連成片區(qū)形成腐蝕脫落，最終使涂層失去對葉片基體的抗高溫氧化防護(hù)作用。通過去除CMAS層，在高渦葉片前緣涂覆石墨烯涂層，該涂層強(qiáng)化相主要含有ZrO2和Cr2O3，ZrO2、Cr2O3均會(huì)有效提升葉片的化學(xué)穩(wěn)定性及抗氧化性。另外，涂層中的石墨烯成分本身具有優(yōu)良的快速導(dǎo)熱性能，當(dāng)葉片前緣有高溫?zé)崃考袝r(shí)，涂層特有的面結(jié)構(gòu)會(huì)迅速將熱量分散平衡，使涂層表面無法形成局部高溫[5]，從而能有效降低葉片表層的熱腐蝕及熱應(yīng)力，這對葉片的進(jìn)氣邊燒蝕防護(hù)會(huì)有明顯的改善作用。

5 結(jié)論

對于使用后的高渦葉片，經(jīng)吹砂去除前緣的CMAS層，通過燒結(jié)在前緣形成石墨烯涂層，該涂層的力學(xué)及熱學(xué)性能均滿足使用要求，長試考核表明石墨烯涂層對葉片的前緣燒蝕有良好的防護(hù)作用，所以石墨烯涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的工程應(yīng)用上是可行的。

本文僅局限于對石墨烯涂層的工程應(yīng)用情況作簡要闡述，未做更深的理論機(jī)制研究，若想將石墨烯涂層優(yōu)異性能充分應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，建議相關(guān)科研院所及高校與發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)進(jìn)行廣泛交流和合作，以理論與實(shí)踐相輔相成，發(fā)揮各自的獨(dú)特優(yōu)勢，就石墨烯涂層的制備工藝、組織表征及性能應(yīng)用等方面開展深入研究。隨著我國科技創(chuàng)新能力的茁壯發(fā)展，相信石墨烯的逐步工程應(yīng)用一定會(huì)推進(jìn)我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主能力建設(shè)[6]。

參考文獻(xiàn)

[1] 勾運(yùn)書，李丹，劉仲陽. 涂層中石墨烯應(yīng)用及標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)展[J].涂料工業(yè)，2020，50（1）：69-75.

[2] 郭巍，馬壯，劉玲.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用熱障涂層的CMAS侵蝕及防護(hù)[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2017，38（3）：112-118.

[3] 郭磊，高遠(yuǎn)，葉福興.航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱障涂層的CMAS腐蝕行為與防護(hù)方法[J].金屬學(xué)報(bào)，2021，57（9）：1184-1198.

[4] 亢永霞，白宇，劉琨. 熱障涂層的CMAS腐蝕失效及對策研究[J]. 稀有金屬材料與工程，2017，46（1）：282-288.

[5] 王亞欽，馬旭，邱林濤. 石墨烯涂層片式散熱器散熱效率的研究[J]. 電工技術(shù)，2020（14）：32-34.

[6] 馮濤，陳文革，栗雯綺. 石墨烯的組織性能、改性處理及應(yīng)用前景[J].功能材料，2020，51（4）：28-39.