康軍衛(wèi)，程玉賢

(中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 技術部，沈陽 110043)

渦輪葉片是航空發(fā)動機的核心零部件，長期經受高溫、高壓、高速燃氣的沖擊和侵蝕，服役環(huán)境非常惡劣。為了解決單獨使用高溫合金材料無法滿足先進航空發(fā)動機的使用需求，渦輪葉片表面無一例外地采用氣膜冷卻技術和熱障涂層技術[1-3]。這兩種技術的結合應用可以使葉片表面溫度降低500℃左右，有效保證了渦輪葉片可以在超過基體材料熔點的工作環(huán)境下安全可靠工作。

電火花加工工藝是氣膜孔加工的主流工藝，也是常見的工藝方法，根據具體加工位置情況可選擇電火花成型加工工藝和電火花高速打孔工藝。該工藝具有效率高，技術成熟度和穩(wěn)定性高的優(yōu)點。局限性是加工材料一般為導體或導電性良好的材料。熱障涂層一般由抗氧化腐蝕性能良好的金屬粘結底層和導熱系數(shù)較低的陶瓷面層雙層體系組成[4-6]。由于熱障涂層的導電性較弱，且其厚度在0.1～0.2 mm左右，目前渦輪葉片一般先進行氣膜孔加工工序，后進行熱障涂層涂敷工序。涂敷涂層過程中，涂層不可避免地沉積在氣膜孔內表面，導致氣膜孔孔徑減小，同時改變氣膜孔形狀，影響冷卻氣流方向，進而影響渦輪葉片氣膜冷卻降溫效果。

本文針對上述問題，分別采用EB-PVD方法在渦輪工作葉片、APS方法在渦輪導向葉片表面制備熱障涂層，嘗試采用預先放大氣膜孔孔徑，涂敷涂層后打孔，涂敷涂層后對氣膜孔進行后續(xù)加工等方法以保證涂敷涂層后的氣膜孔徑滿足設計要求，降低涂層對氣膜孔孔徑大小的影響。

1 實驗

試樣基體材料采用K488鎳基高溫合金,合金成分如表1 所示。根據試驗需要分別將K488合金基體加工成15 mm × 10 mm ×2 mm的片狀試樣，并在片狀試樣兩端各鉆一個直徑為1 mm的圓形小孔，圓片狀試樣側面開一深為0.5 mm槽，用于沉積涂層時固定試樣。試樣表面經砂紙打磨倒角并在丙酮溶液中用超聲波清洗10 min左右后吹干備用。

分別采用兩種工藝制備熱障涂層。第一種采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)工藝在涂覆有PtAl 金屬粘結底層樣品表面沉積YSZ陶瓷面層，YSZ的名義成分為8wt% Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)。具體制備工藝過程如下：對涂敷PtAl底層樣品進行濕吹砂活化處理，濕吹砂采用180目～220目白剛玉，風壓為0.25～0.35 MPa， 吹砂距離為80～130 mm。 然后進行強水流沖洗、超聲波清洗、丙酮浸洗和烘干處理后備用。待主真空室、裝載室真空度分別低于5×10-2Pa，1 Pa時開啟兩室之間的閘板閥，通入Ar氣，對樣品表面進行離子轟擊清洗5～10 min，目的是清除樣品表面污物，提高涂層與基體間的結合強度。樣品清理完畢后將其運送至主真空室靶材上方，待樣品預熱至設定溫度，熔化YSZ靶材進行蒸發(fā)沉積，通過控制沉積時間得到厚度合適的涂層。沉積過程中試樣隨轉架轉動以保證涂層厚度的均勻性。EB-PVD YSZ陶瓷面層過程中ZrO2不可避免地發(fā)生分解，從而在零件表面形成非化學計量比涂層，這一點可以從靶材加熱后呈黑色，沉積態(tài)YSZ涂層呈灰黑色得到驗證。因此涂層沉積過程中通入適量氧氣有利于得到化學計量比的YSZ涂層。

表1 K488基體合金名義成分

第二種采用大氣等離子噴涂(APS)工藝制備熱障涂層。首先對樣品進行干吹砂處理。干吹砂采用36～80目白剛玉砂，風壓為0.40～0.60 MPa， 吹砂距離為100～150 mm，吹砂角度為60°～75°。吹砂后樣品用清潔的壓縮空氣吹除表面的浮灰，避免二次污染。然后采用F4槍分別噴涂NiCrAlY 底層(Amdry 962)和YSZ面層(Metco 204 NS)。

采用丹麥Struers公司全自動金相制樣系統(tǒng)，系統(tǒng)各組成設備分別為Discotom-6砂輪切割機和Tegrapol-35研磨及拋光機將葉片在規(guī)定位置切開，在鑲樣并完成金相準備后用金相顯微鏡對涂層試樣進行氣膜孔觀察和分析。

分別采用銷氏塞規(guī)和氣膜孔五軸光學復合坐標測量機對涂敷涂層前后葉片氣膜孔孔徑大小進行測量。

其中氣膜孔五軸光學復合坐標測量機測量氣膜孔孔徑大小過程如下：通過雙軸轉臺按照設計給出的葉片氣膜孔空間角度旋轉A軸和B軸，使氣膜孔的軸線與影像測頭的光軸線同軸或平行，影像測頭瞄準被測氣膜孔輪廓，采集完整的清晰圖像或離散點，用最小二乘法計算孔的直徑大小即為膜孔的孔徑大小。

2 結果與討論

2.1 沉積態(tài)熱障涂層結構

圖1為沉積態(tài)熱障涂層典型結構。從圖1可以看出，APS技術制備的熱障涂層呈典型的片層狀結構，涂層內含有約15%～25%的孔隙，因而熱導率較低，可從完全致密材料的2.3 W/mK左右降低到0.8～1.1 W/mK。但該法制備的熱障涂層存在表面粗糙度高，涂層抗沖蝕性能低，應變容限低等缺點，一般用在航空發(fā)動機靜止件，如燃燒室、渦輪導向葉片等[7-8]。與APS制備熱障涂層相比，EB-PVD方法制備熱障涂層呈典型的柱狀晶結構，熱導率較高(一般為1.5 W/mK左右)，但其具有更高的應變容限，在冷熱循環(huán)過程中，涂層與合金基體一起膨脹或收縮而不剝落，表面光潔，有利于保持葉片的空氣動力學性能。涂層/基體的界面以冶金結合為主，具有結合力強等優(yōu)點，一般應用于航空發(fā)動機轉子件，如渦輪工作葉片等部件[9-13]。

圖1 沉積態(tài)熱障涂層截面形貌

2.2 預先放大氣膜孔孔徑

預先放大孔徑主要通過測量涂敷設計要求厚度涂層前、后氣膜孔孔徑大小值，統(tǒng)計氣膜孔孔徑縮小規(guī)律，根據縮孔規(guī)律在渦輪葉片進行電火花打孔時適當放大氣膜孔孔徑，最終保證涂敷涂層后的氣膜孔徑符合設計要求。

分別采用銷氏塞規(guī)和氣膜孔五軸光學復合坐標測量機對高壓渦輪工作葉片采用EB-PVD技術涂敷熱障涂層前、后的氣膜孔孔徑大小進行了測量。圖2為氣膜孔五軸光學復合坐標測量機測量涂敷涂層前后第一排氣膜孔孔徑宏觀形貌，經測量涂覆涂層后氣膜孔孔徑減小了0.076 mm。

圖2 氣膜孔五軸光學復合坐標測量機測量涂敷涂層前后第一排孔徑宏觀形貌

表2為銷氏塞規(guī)測量涂敷涂層前后氣膜孔孔徑變化情況。對于同一排氣膜孔，銷氏塞規(guī)與氣膜孔五軸光學復合坐標測量機測量的氣膜孔孔徑變化值相當。實際生產中可以采用銷氏塞規(guī)測量涂敷涂層前后葉片氣膜孔孔徑變化情況。

表2 銷氏塞規(guī)測量涂敷涂層前后葉片氣膜孔孔徑變化情況

通過對比幾批渦輪工作葉片涂敷涂層前、后氣膜孔孔徑的測量結果，可以看出涂層縮孔規(guī)律受涂層厚度、氣膜孔位置及原始氣膜孔孔徑大小影響較大。為了保證涂層縮孔規(guī)律可用，需要嚴格控制涂層厚度，這對涂敷涂層工藝保證涂層厚度難度很大，可控性差，而且電火花打孔的精度要提高，公差值縮小，對電火花打孔加工控制嚴格，工序上易出現(xiàn)超差件。原本一道工序的0.1 mm的公差值，分配給兩個工序，每個工序僅有0.05 mm的公差值，增加了工序的難度。此外，放大后的氣膜孔形狀和尺寸發(fā)生明顯變化，可能會影響氣流方向，進而影響氣膜冷卻效果。

2.3 涂敷涂層后對氣膜孔進行后續(xù)加工

在滿足設計氣膜孔孔徑大小的渦輪導向葉片表面采用大氣等離子技術涂敷熱障涂層后，再采用表面涂敷含有耐磨金剛石顆粒的打磨針對氣膜孔內表面進行表面打磨。圖3為打磨針表面金剛石顆粒的形貌。從圖3可以觀察到金剛石顆粒均勻分布在打磨針表面，劃痕測試結果表明涂層結合力良好。

圖3 金剛石打磨針及其耐磨層微觀形貌

對葉片相鄰的兩排氣膜孔一排不進行任何處理，一排采用表面涂敷有耐磨金剛石顆粒的打磨針對氣膜孔內表面進行后續(xù)加工。圖4為葉片打磨后及未打磨氣膜孔宏觀照片。從圖4可以看出，涂敷熱障涂層后，葉片表面的氣膜孔基本被封閉堵死。打磨針打磨后，氣膜孔內多余涂層被去除，同時氣膜孔內壁更加光滑，并在一定程度上打磨掉打孔時引入的重熔層。

圖4 涂敷熱障涂層后氣膜孔打磨/未打磨后宏觀形貌

針對實際葉片進行實驗，發(fā)現(xiàn)該加工方法簡單，但操作上很費體力，存在孔口涂層脫落的風險和隱患，操作者需要非常有耐性，不適合批量生產。

2.4 涂敷涂層后打孔

涂敷涂層后打孔主要是先涂敷設計厚度涂層再按照設計氣膜孔孔徑大小在葉片表面進行打孔。目前氣膜孔孔徑加工的方法主要有電火花打孔和激光打孔。電火花工藝重熔層厚度僅有激光打孔重熔層厚度的一半，可控制在0.02 mm 以下，能夠滿足所有發(fā)動機熱端部件的冶金質量要求。對于某些位于葉身型面的氣膜冷卻孔，國外標準允許有少量重熔層存在，且均使用高速電火花打孔機床，重熔層厚度一般控制在0.03 mm 以內。

激光加工是葉片氣膜孔加工較早使用的一種工藝，傳統(tǒng)激光一般指的是長脈沖激光。長脈沖激光加工主要通過功率密度通常大于 106W/cm2的激光與材料作用，使材料在極短時間內受熱汽化及熔化，其間瞬時高壓使氣體迅速膨脹而形成爆炸沖擊氣流，從而把大多數(shù)汽化及熔化材料迅速濺射出去而形成小孔，但一部分未能濺射出去而殘留的融熔物圍繞孔壁重新凝固形成重熔層(大約在幾微米至幾十微米量級)，重熔層內易產生微裂紋，甚至可能進入材料基體，是導致發(fā)動機葉片在工作中疲勞斷裂的主要隱患之一。圖5為激光打孔及打磨清理去除重熔層的宏觀照片。

為了解決上述難題，國外嘗試采用激光-電火花復合打孔技術，即首先采用激光去除陶瓷面層，再采用電火花在金屬粘結層和高溫合金基體進行打孔。通過調Q激光器獲得高峰值功率，窄脈寬脈沖激光可以有效降低激光對界面的熱影響，避免陶瓷面層內部及金屬粘結底層/高溫合金基體界面處產生裂紋、分層現(xiàn)象。

據報道，德國摩天宇(MTU)高壓渦輪導向葉片修理過程中即采用先涂敷熱障涂層后激光打孔這一工藝路線(如圖6所示)。英國溫伯樂公司(Winbro)采用激光打孔技術對不同涂敷厚度的熱障涂層進行了不同角度激光打孔試驗。通過優(yōu)化激光打孔和涂層涂覆工藝參數(shù)可以避免陶瓷面層分層和粘結層/高溫合金基體界面裂紋的產生。該工藝采用的GUI控制軟件可以讓每個脈沖具有不同的激光參數(shù)。在陶瓷面層打孔時使用正確的峰值功率/脈沖能量組合以降低激光束能量對界面的熱損傷，當打到基體時應采用足夠高的峰值功率，以便在很短的時間內完成打孔，減少氣膜孔孔徑內。

據了解，Winbro公司對渦輪葉片涂層(基體3 mm厚，涂層0.65 mm厚)進行30°、0.65 mm直徑氣膜孔加工時，重熔層平均厚度為29 μm 。該工藝已在航空制造上應用[14-15]。鑒于該法有望成為解決涂敷涂層過程中氣膜孔堵塞、涂敷涂層葉片激光打孔重熔層過厚及裂紋的有效途徑，針對涂覆熱障涂層試片進行激光-電火花復合加工探索研究，相應的結果如圖7所示。從圖7可以觀察到，初步研制的工藝可以穿透熱障涂層。但孔的邊緣出現(xiàn)了涂層重熔區(qū)，陶瓷面層、金屬粘結底層及單晶高溫合金基體內部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，陶瓷面層則出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

3 結論

(1)涂敷熱障涂層導致的渦輪葉片氣膜孔孔徑縮小規(guī)律重復性差，放大后的氣膜孔形狀發(fā)生變化; (2)采用打磨針對涂敷涂層后的渦輪葉片氣

圖7 氣膜孔附近涂層表面

膜孔進行打磨可以去除氣膜孔內多余涂層，但存在孔口涂層脫落的風險和隱患，操作者需要非常有耐性，不適合批量生產;

(3)對涂敷完涂層葉片進行激光-電火花復合打孔技術仍需進一步完善相關工藝，解決裂紋問題。