孫 杰，張 露，周 欣，孫海靜，陳國(guó)亮

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

可磨耗封嚴(yán)涂層通常用于飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封，目的是減小葉片尖端與壓縮機(jī)和渦輪部分鑄件之間的間隙，起到保護(hù)葉片、減少級(jí)間漏氣、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的作用，目前在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-4]。

封嚴(yán)涂層的制備是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的關(guān)鍵技術(shù)。為防止涂層脫落，可磨耗封嚴(yán)涂層不僅要具有相對(duì)較高的結(jié)合強(qiáng)度，還要具有較好的綜合性能。既要足夠“硬”，保證其在高溫高速氣流沖蝕下正常工作，該要求主要通過(guò)封嚴(yán)涂層中的金屬相(Al基、Cu基、Ni基、Co基等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其可為涂層提供支撐作用，又要足夠“軟”，在與轉(zhuǎn)子部件碰磨時(shí)優(yōu)先發(fā)生磨損，防止葉片被刮削而損壞，該要求主要通過(guò)封嚴(yán)涂層中的非金屬相(石墨、氮化硼、高分子材料等)和孔隙來(lái)實(shí)現(xiàn)，孔隙可有效減小涂層的硬度，非金屬相可提供潤(rùn)滑作用[2，5-7]。根據(jù)封嚴(yán)涂層工作環(huán)境溫度的不同可將其分為低溫封嚴(yán)涂層(工作溫度在400℃以下)、中溫封嚴(yán)涂層(工作溫度為400～800℃)和高溫封嚴(yán)涂層(工作溫度在800℃以上)三類(lèi)[8]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層的工作溫度一般低于850℃，屬于中低溫封嚴(yán)涂層。

目前用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的可磨耗封嚴(yán)涂層大約有二十多種，Al/BN涂層為燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)部分使用的一種典型可磨損材料，其具有Al金屬基體和BN自潤(rùn)滑相，通常以等離子體噴涂的NiAl作為粘結(jié)層[9-10]。

本文主要從Al/BN封嚴(yán)涂層的制備方法、性能影響因素、腐蝕行為及機(jī)理等三方面介紹封嚴(yán)涂層的研究現(xiàn)狀，指出目前存在的問(wèn)題，并提出未來(lái)研究方向。

1 Al/BN封嚴(yán)涂層的制備方法

Al/BN封嚴(yán)涂層為鋁基納米復(fù)合材料，該材料在航空航天工業(yè)中具有廣闊應(yīng)用前景[11]，其通過(guò)加入氮化物等納米顆粒增強(qiáng)韌性鋁材料，顯著提高其機(jī)械性能，包括比剛度、比屈服強(qiáng)度和極限拉伸/壓縮強(qiáng)度等[12]。多項(xiàng)研究數(shù)據(jù)表明，BN納米結(jié)構(gòu)由于具有低密度、優(yōu)異的穩(wěn)定性、高導(dǎo)熱性、良好的潤(rùn)滑性等綜合性能，可作為輕質(zhì)鋁基復(fù)合材料的增強(qiáng)劑[13-15]。BN增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的制備方法主要有高能球磨、無(wú)壓滲透等[16-19]。

熱噴涂是近年來(lái)封嚴(yán)涂層最為常見(jiàn)的制備方法[20]，該方法將制備好的Al/BN粉末以熔化或半熔化狀態(tài)噴涂到基體表面形成涂層。熱噴涂包括火焰噴涂、爆炸噴涂和等離子噴涂等方式。Al/BN封嚴(yán)涂層一般采用大氣等離子噴涂方法[21]。等離子噴涂過(guò)程較為復(fù)雜，涂層性能影響因素也很多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)封嚴(yán)涂層等離子噴涂制備工藝參數(shù)及性能進(jìn)行了大量研究，將噴涂距離、噴涂功率、送粉速率確定為3個(gè)最重要的性能影響因素[22-25]。

肇國(guó)鋒等[21]采用等離子噴涂制備Al/BN可磨耗封嚴(yán)涂層，并研究了送粉速率對(duì)涂層性能的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算Al/BN和NiAlW兩種粉末的送粉速率平均值和粉末沉積效率，確定了Al/BN面層及NiAlW底層粉末的化學(xué)成分、粒度分布及最佳制備工藝參數(shù)，并對(duì)該工藝參數(shù)下制備的封嚴(yán)涂層進(jìn)行物理性能測(cè)試，結(jié)果表明涂層的結(jié)合強(qiáng)度及硬度均達(dá)標(biāo)，且在450℃時(shí)抗熱震性良好，在300h內(nèi)組織穩(wěn)定。劉通等[26]分析了噴涂工藝參數(shù)的變化(功率22～34kW、送粉量30～50g/min、噴涂距離90～150mm)對(duì)涂層組織和性能的影響規(guī)律：隨著噴涂功率的增加，涂層的致密化程度、硬度和結(jié)合強(qiáng)度隨之增加；隨著送粉量的增加，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低；隨著噴涂距離的增加，涂層孔隙率逐漸增加，硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低。Mallick P等[27]為優(yōu)化等離子噴涂的工藝參數(shù)，對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和分析，建立了多元線(xiàn)性回歸模型，確定了等離子噴涂中實(shí)驗(yàn)參數(shù)(如粉末進(jìn)料率、等離子體功率、粉末粒度、槍速度、噴霧距離、氬氫比等)對(duì)結(jié)果的影響程度，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析得到，氫氣流量和噴涂距離是最重要的影響因素。

以上研究結(jié)果表明，在熱噴涂過(guò)程中，工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響比較顯著，涂層性能隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律有助于更有效地改善涂層性能，但目前的研究只針對(duì)單一因素對(duì)涂層性能的影響，而忽略了這些因素間可能存在的交互作用。同時(shí)，對(duì)Al/BN涂層制備方法的研究一般通過(guò)對(duì)涂層物理性能的檢測(cè)來(lái)評(píng)價(jià)其優(yōu)異性，以此確定最佳制備條件，但忽略了對(duì)其防腐蝕性能的分析。僅依據(jù)物理性能判斷涂層的優(yōu)異性進(jìn)而確定最佳工藝條件不夠全面，這與目前缺乏腐蝕性能相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，未來(lái)可對(duì)封嚴(yán)涂層相關(guān)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完善。

2 Al/BN封嚴(yán)涂層的性能

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)封嚴(yán)涂層性能的研究集中在其可磨耗性、抗沖蝕性、抗熱震性和結(jié)合性能，其中可磨耗性和抗沖蝕性的研究相對(duì)更多。大量數(shù)據(jù)顯示，腐蝕是涂層失效最主要的原因之一，腐蝕對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役造成嚴(yán)重的安全隱患，對(duì)封嚴(yán)涂層腐蝕的研究十分必要。

2.1 Al/BN封嚴(yán)涂層的可磨耗和沖蝕性能研究

可磨耗封嚴(yán)涂層一般噴涂在航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣內(nèi)壁與葉片相對(duì)應(yīng)的位置上，其與葉片形成一對(duì)摩擦副，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，噴涂在該位置的可磨耗封嚴(yán)涂層與葉片發(fā)生摩擦，此時(shí)封嚴(yán)涂層優(yōu)先被刮擦，產(chǎn)生與葉尖外形相襯的磨痕，使氣路間隙保持在最小程度，從而降低燃油消耗率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率[28-32]，故要求封嚴(yán)涂層具有良好的可磨耗性。可磨耗性是指封嚴(yán)涂層與葉片發(fā)生刮擦?xí)r涂層的被磨耗能力，也稱(chēng)為“可刮削性”，是評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能的關(guān)鍵指標(biāo)[20]。史朝龍等[3]對(duì)NiAl/BN涂層磨損機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)磨損量和磨損機(jī)理均與其硬度有直接關(guān)系：硬度越高，涂層磨損量越少；當(dāng)硬度從35HR15y提高至55HR15y時(shí)，涂層磨損機(jī)理從切削為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐酝磕橹?。Liu Y D等[33]對(duì)可磨耗Al/BN封嚴(yán)涂層與葉片之間的摩擦行為進(jìn)行了研究，其中用于與封嚴(yán)涂層進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)的葉片有噴涂Ni/BN、Ni/Si3N4磨料涂層及未噴涂涂層兩類(lèi)，通過(guò)對(duì)磨損涂層微觀形貌和成分分析發(fā)現(xiàn)，涂有Ni/BN、Ni/Si3N4磨料涂層的葉片由于硬度和長(zhǎng)度增加，在切削過(guò)程中加重Al/BN封嚴(yán)涂層的磨損，但同時(shí)磨料涂層可以抑制Al/BN涂層的材料轉(zhuǎn)移或減少轉(zhuǎn)移層的覆蓋面積和厚度，有效延長(zhǎng)葉片尖端的壽命，故與未噴涂涂層的葉片相比，Al/BN封嚴(yán)涂層在磨料涂層上摩擦?xí)r的耐磨性顯著提高。文獻(xiàn)[34]采用高速摩擦試驗(yàn)臺(tái)研究了Ti6Al4V葉片和Al/BN封嚴(yán)涂層的摩擦行為，發(fā)現(xiàn)在高侵入速度和低侵入深度下，涂層向葉片的材料轉(zhuǎn)移顯著；同時(shí)對(duì)其摩擦行為的機(jī)理進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，隨著侵入速度的增加，Al/BN涂層的磨損機(jī)理從微破裂和切削轉(zhuǎn)變?yōu)槿刍退苄粤鲃?dòng)。除了侵入速度，葉尖材料對(duì)封嚴(yán)涂層的磨損機(jī)理也有很大影響，文獻(xiàn)[35]研究了葉片材料特性對(duì)Al/BN可磨耗封嚴(yán)涂層與葉片間高速摩擦行為的影響，發(fā)現(xiàn)葉尖材料不同，葉尖與涂層之間磨損機(jī)理也不同，對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)，不同材料葉片的熱性能是涂層粘附行為不同的原因，與葉片材料的機(jī)械強(qiáng)度沒(méi)有顯著相關(guān)性。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的高速氣流及空氣中的固體粒子會(huì)對(duì)封嚴(yán)材料產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷作用，使封嚴(yán)材料產(chǎn)生沖蝕磨損。過(guò)量的沖蝕磨損會(huì)降低封嚴(yán)材料的封嚴(yán)效果，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因此封嚴(yán)涂層必須具有良好的抗沖蝕性能[36]。劉琦峰等[37]研究了三種含Al合金的封嚴(yán)涂層在不同角度下的沖蝕行為，發(fā)現(xiàn)沖蝕角度對(duì)涂層的沖蝕磨損行為特征有顯著影響。低沖蝕角度(20°)時(shí)，涂層的磨損行為主要表現(xiàn)為顯微切削和疲勞剝落；高沖蝕角度(90°)時(shí)，涂層的磨損行為主要表現(xiàn)為片狀剝落。潤(rùn)滑相BN的加入不利于涂層抗沖蝕性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)封嚴(yán)涂層使役性能的研究逐漸從行為轉(zhuǎn)向機(jī)理，這更有利于從根本上改善涂層的性能，盡可能避免涂層失效。上述研究表明：封嚴(yán)涂層的磨損機(jī)理受多方面因素的影響，包括材料本身與外部環(huán)境；主要磨損形式有粘著磨損和沖蝕磨損，且磨損機(jī)理隨著實(shí)際工況的變化而變化。在封嚴(yán)涂層服役期間，摩擦副表面材料可能會(huì)與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，并伴隨機(jī)械作用而引起材料損失，即工作環(huán)境會(huì)造成腐蝕磨損的發(fā)生，但該方面的研究仍然處于空白。

2.2 Al/BN封嚴(yán)涂層的腐蝕研究

腐蝕傷害是目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中除腐蝕疲勞所造成的裂紋外第二常見(jiàn)的損傷[38]。封嚴(yán)涂層腐蝕的種類(lèi)有摩擦磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕及電化學(xué)腐蝕等。前兩者屬于外力作用下的腐蝕，封嚴(yán)涂層作為犧牲性涂層，磨損是其難以避免的結(jié)果。在摩擦磨損腐蝕和應(yīng)力腐蝕過(guò)程中，零件除了發(fā)生外形上的變化，還會(huì)發(fā)生其他各種物理、化學(xué)和機(jī)械性能的變化，目前針對(duì)該方面的相關(guān)研究較少，主要集中在對(duì)封嚴(yán)涂層電化學(xué)腐蝕行為的研究。航空發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)論在工作狀態(tài)還是在停放狀態(tài)，其封嚴(yán)涂層體系均可能與周?chē)h(huán)境介質(zhì)及基體材料相互作用，使其自身發(fā)生電化學(xué)腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致涂層的防護(hù)性能減弱甚至造成腐蝕失效[39]。電化學(xué)腐蝕主要由于不同材料之間的電位差和腐蝕介質(zhì)的存在而引起，過(guò)程復(fù)雜，其間腐蝕產(chǎn)物的堆積以及微環(huán)境的變化都會(huì)對(duì)腐蝕過(guò)程產(chǎn)生影響。

鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)是目前國(guó)內(nèi)對(duì)封嚴(yán)涂層腐蝕研究主要采用的方法，其通過(guò)模擬海水環(huán)境加速腐蝕。張峰等[40]通過(guò)電化學(xué)測(cè)試和鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)包括Al/BN在內(nèi)的三種封嚴(yán)涂層的鹽霧腐蝕性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鈦的添加和合金化使得涂層的腐蝕電位顯著升高，耐鹽霧腐蝕能力提高，TiAl/BN涂層在極化曲線(xiàn)測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了明顯鈍化。岳陽(yáng)等[41]利用電化學(xué)分析技術(shù)及中性鹽霧試驗(yàn)等對(duì)Al/BN封嚴(yán)涂層的腐蝕行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Al/BN作為陽(yáng)極優(yōu)先發(fā)生溶解，粘結(jié)層NiAl受到的腐蝕破壞很小。中性鹽霧腐蝕后，Al/BN涂層表面出現(xiàn)類(lèi)似凝膠狀物質(zhì)，XRD分析可知產(chǎn)物為白色無(wú)定形物Al2O3。除鹽霧腐蝕外，也有相關(guān)學(xué)者對(duì)封嚴(yán)涂層進(jìn)行自然環(huán)境下的腐蝕研究。宋佳等[42]對(duì)在自然環(huán)境中腐蝕后的Al/BN封嚴(yán)涂層的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)該封嚴(yán)涂層在熱帶海洋性氣候中經(jīng)自然環(huán)境腐蝕半年、一年后，外觀無(wú)明顯變化，可磨耗性能提升，抗沖蝕性下降；隨著環(huán)境暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕產(chǎn)物聚集，形成保護(hù)網(wǎng)，阻止了涂層內(nèi)部風(fēng)化疏松，故暴露一年的涂層較暴露半年的涂層抗沖蝕性有所回升。

電偶腐蝕是航空發(fā)動(dòng)機(jī)可磨損涂層腐蝕破壞的主要形式，是由耦合的陰極材料通過(guò)電偶效應(yīng)加速金屬陽(yáng)極溶解的一種腐蝕[38，43-46]。噴涂封嚴(yán)涂層的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣多為鈦合金材料，由于鈦合金基體和Al/BN封嚴(yán)涂層之間存在高腐蝕電位差，且封嚴(yán)涂層又是典型的多層多相多孔結(jié)構(gòu)，腐蝕性物質(zhì)會(huì)通過(guò)孔隙穿透涂層到達(dá)基體，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的電偶腐蝕，甚至可能導(dǎo)致涂層脫落，對(duì)葉片造成嚴(yán)重的損壞。飛機(jī)在高濕度和高氯離子沉積速率的海洋大氣中停靠時(shí)，電偶腐蝕尤為嚴(yán)重。目前飛機(jī)的停放時(shí)間逐漸增加，其在閑置期間的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題不容忽視[47]。文獻(xiàn)[40]對(duì)Al/BN封嚴(yán)涂層的電偶腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：在腐蝕過(guò)程中，面層(Al/BN)與帶有粘結(jié)層(NiAl)的基體之間存在以Al/BN為陽(yáng)極的電偶腐蝕，且Al/BN層中的Al基體由于電偶作用發(fā)生自發(fā)點(diǎn)蝕，BN相不參與腐蝕，Al/BN的點(diǎn)蝕機(jī)理與純鋁相同；腐蝕過(guò)程中有負(fù)差異效應(yīng)的存在，負(fù)差異效應(yīng)系數(shù)為13%。孫杰等[48]通過(guò)電化學(xué)測(cè)試對(duì)NiAl/AlBN封嚴(yán)涂層的腐蝕進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：二者之間存在電偶腐蝕，電偶腐蝕后，電偶對(duì)的陽(yáng)極、陰極的自腐蝕電位均有所降低；隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)，Al/BN涂層的陽(yáng)極防護(hù)性能逐漸減弱。文獻(xiàn)[47]研究了以0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼為基體、Ni為中間層的Al/BN可磨耗密封涂層體系在氯化物溶液中的電偶腐蝕性能。結(jié)果表明，Al/BN涂層體系的陽(yáng)極溶解過(guò)程分為三個(gè)階段：電荷轉(zhuǎn)移控制下的自發(fā)點(diǎn)蝕階段、傳質(zhì)控制下的腐蝕發(fā)展階段和最終的穩(wěn)定階段。Al(OH)3的析出限制了Al/BN層在陰極中的氧傳遞過(guò)程，導(dǎo)致Al/BN層被堵塞孔洞的局部酸化，并以此解釋Al/BN層在三個(gè)浸泡階段腐蝕性能的變化，最終得出多孔多層Al/BN可磨蝕涂層體系的電偶腐蝕主要受腐蝕產(chǎn)物沉積影響的結(jié)論。

3 結(jié)束語(yǔ)

大氣等離子噴涂是目前封嚴(yán)涂層比較常用的制備方式，但噴涂過(guò)程中，鈦合金易與環(huán)境氣體發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致涂層中含有鈦的氧化物和氮化物，該部分物質(zhì)作為雜質(zhì)存在于封嚴(yán)涂層中，不僅會(huì)降低涂層中Al/BN的純度，還會(huì)由于電位差的存在形成涂層內(nèi)部的電偶腐蝕，使得封嚴(yán)涂層腐蝕加劇，加快其失效的速度，采用真空等離子噴涂可有效避免該問(wèn)題，故未來(lái)研究方向?yàn)檎婵盏入x子噴涂技術(shù)。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于Al/BN封嚴(yán)涂層性能的研究主要集中在可磨耗性和抗沖蝕性，尤其對(duì)于高速刮削時(shí)的磨損行為和摩擦機(jī)理的研究較多，但對(duì)于葉片和封嚴(yán)涂層在摩擦?xí)r的涂層轉(zhuǎn)移行為的研究還有待深入。近年來(lái)對(duì)于Al/BN封嚴(yán)涂層其他物理性能，如致密性、結(jié)合性能以及孔隙率的研究也有所增加。對(duì)于Al/BN封嚴(yán)涂層腐蝕方面的研究主要集中在腐蝕行為和耐蝕性?xún)煞矫?，封?yán)涂層的腐蝕機(jī)理，特別是電偶腐蝕的研究較少，且多針對(duì)未磨損過(guò)的涂層，考慮到實(shí)際工況，對(duì)磨損后涂層的腐蝕研究更為必要，但國(guó)內(nèi)外對(duì)該方面的研究幾近空白，故磨損后涂層的腐蝕性能將是封嚴(yán)涂層的重要研究方向。