朱警雷（中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120）

熱噴涂材料和技術(shù)在航空發(fā)動機中的應(yīng)用

朱警雷
（中國航空規(guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120）

熱噴涂技術(shù)是先進航空發(fā)動機的核心技術(shù)之一。熱噴涂材料和技術(shù)應(yīng)用表現(xiàn)在航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件的耐磨、高溫防護、隔熱、封嚴以及鈦合金零件的防微動磨損、阻燃等方面［1］，在提高發(fā)動機材料性能方面起到了重要作用。本文介紹了先進熱噴涂材料和技術(shù)在航空發(fā)動機零部件上應(yīng)用的目的、種類、特點及優(yōu)異性能，闡述了在航空發(fā)動機應(yīng)用中存在的問題和發(fā)展趨勢。

熱噴涂材料 航空發(fā)動機 應(yīng)用

1　應(yīng)用

航空發(fā)動機應(yīng)用的熱噴涂材料主要包括抗磨損涂層材料、間隙封嚴涂層材料、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。在一臺航空發(fā)動機上有上千個零部件的大約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)動機性能的不斷提高，發(fā)動機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）、負荷高；同時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，都會降低發(fā)動機性能、縮短發(fā)動機使用壽命。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)點被普遍的用于噴涂航空發(fā)動機上的耐磨涂層，幾種常用耐磨涂層詳見表1。

1.2封嚴涂層

航空燃氣渦輪發(fā)動機都有比較完整的氣路封嚴系統(tǒng)，系統(tǒng)由介于軸、鼓筒、轉(zhuǎn)子葉片葉尖、壓氣機和渦輪等各級之間的40-60處封嚴裝置組成。氣路封嚴裝置的好壞直接影響發(fā)動機的推力和效率。典型發(fā)動機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0.127mm，耗油率約增大0.5%。壓氣機徑向間隙增加0.076mm，耗油率約增大1%。采用熱噴涂技術(shù)制備一個既能減少間隙又能緩沖干涉摩擦的封嚴圈，成為封嚴圈制造的最理想選擇［2］。用于間隙控制的熱噴涂封嚴涂層分為兩大類，即可磨耗涂層和主動磨削涂層［2］。國內(nèi)外大量發(fā)動機都采用不同的可磨耗涂層來保證封嚴質(zhì)量從而控制間隙。英國羅· 羅公司RB211-535C發(fā)動機高壓渦輪前軸承擋圈，中壓渦輪軸承定位環(huán)，空氣封嚴環(huán)，滑動封嚴環(huán)噴涂鋁硅/石墨涂層，中壓壓氣機靜子封嚴圈噴涂鋁硅/聚醋涂層等。美國發(fā)動機TF39風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涂層。主動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，且導熱系數(shù)低，不會使薄壁轉(zhuǎn)子因摩擦熱而產(chǎn)生變形。美國GE公司LM2500發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子二、三、六級封嚴圈上均噴涂Al2O3涂層。

1.3熱障涂層

熱障涂層廣泛應(yīng)用于發(fā)動機的燃燒室、加力燃燒室、渦輪部件及熱燃氣通道等承受熱應(yīng)力、熱腐蝕的熱端部件上。TBCs可以提高材料等級，延長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)動機的應(yīng)用領(lǐng)域不斷地涌現(xiàn)，相繼出現(xiàn)了爆炸噴涂、高速活性燃氣火焰噴涂、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］。

表1　幾種常用耐磨涂層

3　存在問題和發(fā)展趨勢

盡管熱噴涂材料和技術(shù)在航空發(fā)動機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)該著重熱噴涂涂層材料和涂層設(shè)計、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

目前大多數(shù)涂層設(shè)計基本停留在經(jīng)驗設(shè)計階段，缺乏較為完善的熱噴涂涂層設(shè)計體系及所需的大型涂層數(shù)據(jù)庫。首先需建立一個包含涂層材料成分、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；然后通過評估現(xiàn)有理論和經(jīng)驗公式的成熟性，并采用數(shù)學建模方法來利用計算機技術(shù)，逐步建立和完善涂層設(shè)計體系。

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控制技術(shù)的發(fā)展，在熱噴涂技術(shù)中實現(xiàn)自動化和智能化已成為必然的趨勢［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，實現(xiàn)計算機在線重現(xiàn)和存儲。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)驗和嚴格的規(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)是一個受高溫、高速、非均勻性等多參數(shù)影響的動態(tài)過程，影響因素復(fù)雜。針對這種情況，各國十分重視熱噴涂技術(shù)的理論研究。目前，對熱噴涂技術(shù)的研究正從試驗性工藝技術(shù)向著有堅實理論基礎(chǔ)的工藝發(fā)展。

4　結(jié)語

熱噴涂材料和技術(shù)在國內(nèi)航空動力的應(yīng)用與國外先進技術(shù)相比有一定的差距。但是國內(nèi)航空發(fā)動機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)航空動力上發(fā)揮更重要的作用。

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

［2］付俊波，周世魁.熱噴涂技術(shù)在航空發(fā)動機零部件及其維修中的應(yīng)用［J］.失效分析與預(yù)防，2006（5）：61-64.

［3］賴師墨.控制航空發(fā)動機運轉(zhuǎn)間隙的熱噴涂封嚴涂層［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.