高性能封嚴涂層研制與應用工作取得重要進展

封嚴涂層是先進動力系統(tǒng)減小氣流通道泄漏損失、降低能耗、提高效率的關鍵技術，是目前最先進的氣路封嚴技術，國外先進動力裝置已大量使用，制備技術嚴格保密。中科院金屬所從2003年起先后承擔國家、省市等科研項目多項，進行了高性能封嚴涂層的研究工作，并實現成果工業(yè)轉化以及產業(yè)化，取得系列創(chuàng)新性成果。

封嚴涂層的主要成分包括金屬相、非金屬相以及孔隙。該類復合粉末各相物理性能差異大，流動性不好，噴涂過程中各組分熔化狀態(tài)差異大，涂層組織結構可控性差。通過研究焰流中粉末粒子的溫度場和速度場的分布規(guī)律，發(fā)現優(yōu)化粉末粒子噴射初速度和焰流中飛行速度是提高涂層組織結構可控性的有效途徑，實現了溫度場和速度場的最佳耦合，獲得了潤滑相分布均勻和殘余應力低的理想組織結構。同時封嚴涂層對綜合性能要求很高，必須同時兼有諸如結合強度高、易磨耗、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、磨屑相容等性能，其中，封嚴涂層的可磨耗性與結合強度是相互矛盾的。可磨耗性提高，涂層孔隙率增加，硬度降低，涂層結合強度下降，工作時易出現“掉塊”現象；相反，涂層結合強度提高，孔隙率降低，硬度提高，可磨耗性下降，工作時葉片磨損嚴重。如何實現二者的最佳匹配是保證涂層質量的關鍵。熱噴涂過程中工藝影響因素眾多，為了達到性能的良好匹配，僅依靠常規(guī)工藝試驗難以實現。研究中采用Spraywatch動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和摩擦磨損試驗研究了主要工藝參數對封嚴涂層性能的影響，結果表明噴涂過程中送粉載氣流量對噴涂粒子的速度影響最為明顯，對提高涂層的綜合性能效果顯著，這打破了長期以來認為送粉載氣流量僅是保證正常送粉的工藝參數這一傳統(tǒng)認識，使涂層的硬度、結合強度、熱震性能、熱穩(wěn)定性等性能均大幅度提高。

課題組研發(fā)了適用于不同工作溫度的AlSi/BN、Ni/石墨、NiAl/BN、NiCrAl/硅藻土等系列封嚴涂層，研發(fā)成果已成功應用于新型發(fā)動機、汽輪機、透平壓縮機上。主要工作包括：（1）金屬所成為先進發(fā)動機封嚴涂層定點生產單位，先后承擔了多個型號發(fā)動機封嚴涂層的批產任務，產品合格率達100%；（2）應用于沈鼓集團自主研發(fā)的國內首臺十萬空分壓縮機組和G73、G74、G75、G77等G系列透平壓縮機的葉輪、型環(huán)等關鍵部件，解決了整機裝置效率低下的技術難題；（3）與哈汽集團合作開展NiCrFeAl-BN·SiO2新型封嚴涂層噴涂粉末的研制與涂層制備技術的研究，并應用于國產化新型汽輪機的高壓隔板葉頂圍帶上，已試驗成功，填補國內空白。

熱噴涂技術是金屬所重點支持與發(fā)展的研究方向之一，先后建立了“遼寧省高性能熱噴涂涂層工程技術研究中心”和“熱噴涂研發(fā)基地”，擁有進口METCO 9M等離子噴涂、METCO DJC-2700超音速火焰噴涂、METCO 6P-Ⅱ火焰噴涂及APS-2000、APS-2000A等離子噴涂等先進的熱噴涂生產設備，同時具備包括噴涂過程動態(tài)在線監(jiān)測、多種熱物性分析、力學性能測試和結構表征等完善的分析檢測儀器和設備，配套先進，功能齊全，并具有規(guī)范、高效的管理與運行機制，金屬所已正式成為德國西門子公司和瑞士ABB公司熱噴涂技術領域合格供應商，涂層技術水平躋身于世界前列。

（中科院金屬所）