姜永強，沈爾明，王志宏

（沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

1 引言

封嚴結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計中起著越來越重要的作用。是否使用封嚴、所用封嚴材料的性能水平高低和效果好環(huán)，已成為現(xiàn)代航空發(fā)動機設(shè)計水平高低的重要標志。目前國內(nèi)軍用發(fā)動機的封嚴材料體系已初步形成，主要以封嚴涂層為主，封嚴材料的使用使發(fā)動機工作溫度大大提高了，油耗降低，推力增大，航程增加，并滿足了飛機對發(fā)動機的使用壽命要求[2]。

但是國內(nèi)有關(guān)封嚴涂層的種類主要是金屬封嚴涂層，但金屬封嚴涂層的組織結(jié)構(gòu)、孔隙率均勻性及結(jié)合力等方面在噴涂中很難控制，在涂層使用中，經(jīng)常出現(xiàn)涂層剝落等問題，特別是隨著大涵道比發(fā)動機的研制，在風扇/增壓級部分的封嚴涂層由于尺寸較大，對噴涂工藝提出更高的要求，因此金屬封嚴涂層不能完全滿足大涵道比發(fā)動機長壽命和高可靠性的要求。

非金屬封嚴材料的應用在國外已經(jīng)有成熟的經(jīng)驗，但是在國內(nèi)才剛剛起步，其應用前景廣闊。

美國、歐洲一些國家目前研制的 CFM56、V2500、PW4000、PW-6000、GE90等系列發(fā)動機大量采用橡膠封嚴材料來減小風扇或增壓級轉(zhuǎn)子葉片的磨損，同時還采用填充空心玻璃珠的液體橡膠材料來固定風扇增壓級靜子葉片，并用級間封嚴。這說明非金屬封嚴材料有很好的性能指標和可靠性要求。

本文重點介紹了用在民用發(fā)動機低壓靜子部件上的非金屬軟質(zhì)封嚴材料（可磨耗材料）的特點、發(fā)展和應用。

2 封嚴涂層種類及作用

目前國內(nèi)采用的封嚴材料主要包括金屬-有機涂層和金屬-無機涂層。金屬-有機涂層如Al-Si-聚苯酯涂層,用于300℃以下的發(fā)動機壓氣機及滑油系統(tǒng)；金屬-無機涂層如NiCrAl-硅藻土涂層,用于800℃以下發(fā)動機渦輪部位封嚴。國外還有橡膠封嚴材料。

渦輪噴氣發(fā)動機是由進氣、壓縮、燃燒和排氣等組成的多級裝置，其效率直接與每級同它上級封嚴的效率有關(guān)，保持通過每級氣流壓力差是獲得高效率的必要條件。研究發(fā)現(xiàn)，渦輪發(fā)動機的氣路密封性，即轉(zhuǎn)動部件與靜子部件的徑向間隙大小對壓氣機、渦輪的效率、功率和耗油率（SFC）影響(如圖 1（a）、（b）所示)極大。從圖1中可見，如果葉尖間隙與葉高比值（△/L）每增加1%，大直徑風扇壓氣機的效率損失則增大2%，而低壓或高壓渦輪的效率損失則增大1%～3%。1臺典型發(fā)動機高壓渦輪葉尖氣路間隙減少0.254 mm，效率可提高約1%；壓氣機徑向間隙增大0.076mm，耗油率可增加約1%[2,3]。因此減少發(fā)動機氣流通道的泄漏損失是提高發(fā)動機效率、降低耗油率的重要途徑。

圖1 徑向間隙與葉片高度比值對部件效率及耗油率的影響[2]

在設(shè)計封嚴結(jié)構(gòu)時，設(shè)計人員為提高發(fā)動機運轉(zhuǎn)效率、使用壽命和降低油耗，盡量減少轉(zhuǎn)子和靜子之間的運轉(zhuǎn)間隙。但是由于制造困難和在工作狀態(tài)下的部件結(jié)構(gòu)變形，間隙過小，導致旋轉(zhuǎn)中的動、靜件之間存在相互摩擦的危險，因此希望有1個既能減小間隙又能緩沖摩擦的封嚴圈。

封嚴裝置一般用在風扇、壓氣機和渦輪部位（如圖2所示）?；牧蠎哂心p性、耐沖蝕性、熱穩(wěn)定性和較小的摩擦系數(shù)等特點。對工作溫度在600℃以上的封嚴裝置，多采用具有抗氧化性的涂層材料。控制動、靜件之間間隙的封嚴材料分為2大類。1類是用在靜子部件上的軟質(zhì)涂層（可摩耗涂層）。當轉(zhuǎn)子上的葉片或篦齒與靜子上的軟質(zhì)涂層相摩擦時，允許葉片或齒尖切入時的摩擦壓力和摩擦熱都比較少，不至使旋轉(zhuǎn)部件受到扭曲或損傷。另1類是噴涂在轉(zhuǎn)子部件上的硬質(zhì)涂層（主動磨削層）。轉(zhuǎn)子應有很好的轉(zhuǎn)動平衡性，不允許涂層的不均勻磨損或掉快現(xiàn)象發(fā)生。故只能噴涂硬度高而且工作時基本不磨損的涂層。這類涂層主要是等離子噴涂的陶瓷涂層，硬度高、高溫性能好，且導熱系數(shù)低，不會使薄壁轉(zhuǎn)子因摩擦生熱而產(chǎn)生變形。

圖2 渦輪發(fā)動機可刮削封嚴材料的選用[2]

雖然減小氣路密封性可以提高發(fā)動機性能，但是轉(zhuǎn)動件與非轉(zhuǎn)動件之間的間隙不可能為零。因為這將使制造和裝配發(fā)動機的費用極其昂貴，并有可能發(fā)生不可預見的災難性后果，實際上在制造中也不可能使間隙控制為零，這是因為：

（1）發(fā)動機轉(zhuǎn)子及機匣組合件材料的熱膨脹不一致；

（2）轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)離心力引起的葉片伸長；

（3）零件加工的同心度、圓度和公差的影響；

（4）發(fā)動機裝配中的偏差；

（5）零部件因振動引起的位移；

（6）發(fā)動機轉(zhuǎn)子的熱彎曲變形；

（7）發(fā)動機轉(zhuǎn)子的自身變形；

（8）發(fā)動機軸向力的變化；

（9）因飛機起飛、加速、減速等飛行負載變化及其它外界干擾引起的零件材料機械蠕變。

以上因素有些可以通過設(shè)計來克服，有些則無法估計，因此在設(shè)計中還必須留有足夠的間隙。保持間隙的目的是為了滿足高速旋轉(zhuǎn)的需要，但間隙過大則會降低發(fā)動機性能，封嚴涂層有助于將間隙減小到最低限度[1]。

3 非金屬封嚴材料在國外民用發(fā)動機上應用

目前在國外民用渦扇發(fā)動機使用的非金屬封嚴材料，根據(jù)成型工藝不同，可分為固體橡膠和液體橡膠涂層材料2大類。由于受到耐熱能力的限制，一般非金屬封嚴材料主要應用在低壓低溫部件上，在風扇轉(zhuǎn)子葉片上的應用如圖3所示；在增壓級轉(zhuǎn)子葉片上和增壓級鼓筒篦齒與增壓級靜子之間的應用如圖4所示；在高壓部件的應用較少，僅在個別高壓壓氣機第1級轉(zhuǎn)子前的篦齒上應用（如圖5所示）。

圖3 風扇葉片封嚴材料

圖4 增壓級轉(zhuǎn)子和靜子之間封嚴材料

圖5 第1級高壓壓氣機前封嚴材料

3.1 橡膠板狀封嚴材料

發(fā)動機上使用的橡膠板狀封嚴材料可以預先加工成型具體尺寸的橡膠板，需要時可以將此成品直接粘結(jié)到需要的部位，此類材料一般比較厚，并填充空心玻璃珠。國外某型民用發(fā)動機風扇轉(zhuǎn)子葉片對應機匣上的此類材料的立體圖（圖3）和局部剖面如圖6所示。填充玻璃珠的橡膠封嚴材料既可以避免發(fā)動機葉片高速旋轉(zhuǎn)而刮下大塊橡膠片進入流道而打傷發(fā)動機后部零件，又可以增加材料內(nèi)部空隙，大大減輕橡膠材料的質(zhì)量。橡膠板狀封嚴材料的優(yōu)點是可以提前大量生產(chǎn)并存放，橡膠材料內(nèi)部材質(zhì)均勻，外形尺寸可以預先加工，便于在大尺寸零件上快速鋪放成型；缺點是需要使用膠粘劑粘接，局部修補不靈活。

圖6 某型發(fā)動機風扇易磨環(huán)構(gòu)件

3.2 液體橡膠涂層

液體橡膠涂層一般利用雙組分或3組分橡膠液發(fā)生化學反應而制成，當需要時可現(xiàn)場按一定比例進行配比并混合一定比例的玻璃珠，之后涂刷或灌注到需要的部位。該涂層優(yōu)點是可以現(xiàn)場成型，在小尺寸零件上涂覆方便，根據(jù)使用部位不同可厚可薄，如轉(zhuǎn)子葉片封嚴涂層可涂薄一點（如圖7所示），用于固定增壓級靜子葉片可以涂厚一點（如圖8所示）；缺點是多組分混合發(fā)生化學反應時會產(chǎn)生大量氣泡，需要現(xiàn)場進行消泡處理，且裝配工藝較復雜。風扇轉(zhuǎn)子葉片對應的封嚴材料在涂敷時還可以用復合材料蜂窩結(jié)構(gòu)作為內(nèi)襯（如圖9所示），用于分割封嚴材料時，風扇葉片與封嚴材料相磨時磨損顆粒容易控制，保證不會有大的掉塊發(fā)生。

圖7 國外某型發(fā)動機葉尖封嚴涂層

圖8 國外某型發(fā)動機級間封嚴涂層

圖9 國外某型發(fā)動機葉尖封嚴涂層（蜂窩結(jié)構(gòu)）

4 非金屬封嚴材料較金屬封嚴材料的優(yōu)勢

4.1 提高發(fā)動機的使用壽命

在國內(nèi)使用的封嚴材料基本都是金屬封嚴涂層，該類涂層較硬，當轉(zhuǎn)子葉片與此碰磨時對葉片磨損較重，如果是鈦合金葉片和鈦合金鼓筒，還容易導致葉尖和鼓筒篦齒產(chǎn)生裂紋，影響發(fā)動機的使用安全；同時葉片磨短對發(fā)動機推力影響很大，為了提高性能對磨損嚴重的葉片不得不進行更換，對發(fā)動機的安全性、保障性、維修性、經(jīng)濟性都產(chǎn)生不利影響。

與金屬封嚴材料相比，非金屬封嚴材料能夠更好地保護與此配合的轉(zhuǎn)動件免于磨損，延長發(fā)動機的使用壽命。

4.2 避免后面零部件的損傷

金屬封嚴涂層在噴涂時對各項指標不易控制，特別是風扇葉片對應的封嚴涂層直徑比較大，噴涂難度更大，這樣在噴涂過程中更容易產(chǎn)生缺陷，當發(fā)動機使用時葉片與涂層相磨就容易掉塊，由于涂層較硬會對其后的零件造成損傷；而非金屬封嚴材料較軟，硬度較小，有很好的可磨削性，當與轉(zhuǎn)子葉片磨損脫落后由于材質(zhì)較軟不易打傷后面的零件。

4.3 成型工藝性比較好

金屬封嚴涂層需要專用噴涂設(shè)備對零件進行噴涂，工藝參數(shù)要求比較高，而且不容易控制，有些噴涂后甚至要進行熱處理，會影響原零件的力學性能；非金屬封嚴材料成型工藝比較簡單，可以加工成成品存放，在使用時用粘結(jié)劑粘結(jié)到發(fā)動機上，也可以將各成分按一定比例在一定條件下化合后涂敷到發(fā)動機上。

4.4 零件變形較小

金屬封嚴涂層由于需要熱噴涂，溫度較高，噴涂后易造成零件變形；非金屬封嚴涂層是粘結(jié)到零件上，能夠在150℃以下進行，此溫度不會造成零件變形很大，從而保持了零件尺寸和位置度。

4.5 維修性好

如果在使用中因封嚴涂層局部脫落需要修理，對金屬封嚴涂層，需要將整圈涂層清除后進行重新噴涂，對零件維修性、經(jīng)濟性、完整性的影響都是不利的；而非金屬封嚴涂層可以將損壞的局部去除、更換，既方便快捷，又經(jīng)濟實用，在機場即可更換，可以為發(fā)動機維修節(jié)省大量的時間。

4.6 降低發(fā)動機質(zhì)量

非金屬封嚴涂層的密度小（ρ＜1 g/cm3），相應體積下比金屬封嚴涂層的質(zhì)量輕得多，可以降低發(fā)動機質(zhì)量，提高其推重比。

5 結(jié)束語

目前非金屬封嚴材料在國內(nèi)航空發(fā)動機上還是首次應用，其材料的選用、摩擦特性、失效模式、非金屬構(gòu)件的制備工藝、可磨耗性指標的制定，抗沖蝕性的好環(huán)、材料的抗氧化性的好壞、使用壽命的確定、檢測手段等情況還缺乏成熟經(jīng)驗，今后還需要做大量的分析、研究、驗證工作。但由于非金屬封嚴材料具有可靠性高、工裝簡單且易于維護等技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，隨著國家大飛機項目的快速發(fā)展，一定會在民用飛機發(fā)動機上大量使用，也將會給中國封嚴涂層領(lǐng)域帶來一次技術(shù)性革新。

[1]鄭濟宏.航空發(fā)動機熱噴涂封嚴涂層應用[J].紅旗技術(shù),1997(3):26-29.

[2]劉夙偉,李曙,劉陽.封嚴涂層材料及其可刮削性的評價[J].中國表面工程,2009,22(1):12-24.

[3]田曄,張淑婷,馬江虹,等.可磨耗封嚴涂層發(fā)展及應用[J].有色金屬（冶煉部分）,2006(增刊1):96-99.