閆峰，劉建明，黃凌峰，章德銘

（1.中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110079；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是在高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的惡劣和苛刻環(huán)境條件下能夠長(zhǎng)期可靠工作的一種復(fù)雜熱力（高溫流體動(dòng)力）機(jī)械，是典型的知識(shí)和技術(shù)高度密集的軍民兩用高科技機(jī)械制造產(chǎn)品。其研制技術(shù)難度大、周期長(zhǎng)、耗資多，被稱(chēng)為“機(jī)械行業(yè)的皇冠”。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣等單元組成的多級(jí)裝置，減少氣流通道泄漏的動(dòng)力損失是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低耗油率的重要途徑。在設(shè)計(jì)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率、使用壽命和降低油耗，要求盡量減少轉(zhuǎn)子葉片和對(duì)應(yīng)的匹配靜止零部件之間的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙。但是由于制造技術(shù)瓶頸問(wèn)題和部件在工作狀態(tài)下受應(yīng)力和高溫作用下引起的結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致間隙過(guò)小，從而使旋轉(zhuǎn)中的動(dòng)、靜零部件之間存在相互過(guò)度摩擦的隱患[1]，因此，如何有效控制轉(zhuǎn)子和靜止部件的間隙非常重要。

目前，控制轉(zhuǎn)子和靜止件運(yùn)轉(zhuǎn)間隙的主要措施就是在高速旋轉(zhuǎn)葉片及其對(duì)應(yīng)的靜止部件之間建立封嚴(yán)涂層體系，如圖1 所示，用來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的有效性。

圖1 轉(zhuǎn)子葉片葉尖區(qū)域封嚴(yán)涂層體系示意圖Fig.1 Schematic of a seal coating system containing rotary blade tips

封嚴(yán)涂層體系包含兩種涂層，一種是可磨耗封嚴(yán)涂層，涂覆在機(jī)匣或外環(huán)塊等靜止部件上，通過(guò)被葉尖的刮削實(shí)現(xiàn)氣路封嚴(yán)；另一種為耐磨封嚴(yán)涂層，涂覆在葉片葉尖和蓖齒等轉(zhuǎn)子部件上，以使葉片葉尖在與機(jī)匣或外環(huán)塊封嚴(yán)結(jié)構(gòu)或涂層刮擦?xí)r得到保護(hù)，并滿(mǎn)足縫隙最小化的設(shè)計(jì)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)工作的最初的幾個(gè)循環(huán)中，轉(zhuǎn)子表面較硬的耐磨涂層將與其對(duì)應(yīng)的較軟的可磨耗涂層切出密封運(yùn)行軌跡，以補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下的機(jī)械和溫度等載荷造成的轉(zhuǎn)靜子幾何形狀變化，達(dá)到防止氣體泄漏的氣路密封、提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率的目的。

1 耐磨封嚴(yán)涂層材料及涂層形貌特點(diǎn)

葉片葉尖耐磨封嚴(yán)涂層在不斷刮削可磨耗涂層時(shí)，需要發(fā)揮保護(hù)葉片葉尖和蓖齒等轉(zhuǎn)子零部件，使其避免遭受過(guò)度磨損的作用，因此與較軟的金屬基體和非金屬或樹(shù)脂潤(rùn)滑劑材料復(fù)合而成的壓氣機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層或者渦輪機(jī)用多孔的金屬合金或陶瓷可磨耗封嚴(yán)涂層不同，耐磨封嚴(yán)涂層由較粗的陶瓷硬質(zhì)顆粒嵌入在一種抗氧化合金粘結(jié)相中，并保證陶瓷硬質(zhì)顆粒不規(guī)則而鋒利的邊緣凸出于合金粘結(jié)相，利用陶瓷硬質(zhì)顆粒超強(qiáng)的硬度以及不規(guī)則的棱角，對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層進(jìn)行刮削。對(duì)于具有這種特殊形貌的耐磨涂層國(guó)外稱(chēng)之為Abrasive Coating[2,3,4,6,7,13,15]，以區(qū)別于表面平整的常規(guī)硬面耐磨涂層(Wear Resistant Coating)，國(guó)內(nèi)可翻譯為研磨涂層或稱(chēng)之為主動(dòng)切削涂層。陶瓷硬質(zhì)顆粒包括立方氮化硼(cBN)、碳化硅、氧化鋯、氧化鋁等，名義粒度一般為90～250 μm；抗氧化合金粘結(jié)相的成分主要包括鎳、鈷、鉻、鋁、釔、鉭等，涂層厚度范圍在100～400 μm。由于葉片葉尖表面結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、性能要求高、硬質(zhì)顆粒陶瓷和合金材料性能差異大，導(dǎo)致批量制備葉尖耐磨封嚴(yán)涂層難度大。

另外，也有將硬質(zhì)合金直接用于制備葉尖耐磨封嚴(yán)涂層，而不額外嵌入其它陶瓷耐磨顆粒。但這類(lèi)涂層有兩個(gè)弊端：首先，硬質(zhì)合金耐磨涂層刮削下來(lái)的合金磨屑易粘附在可磨耗封嚴(yán)涂層或葉尖耐磨封嚴(yán)涂層表面，變成磨粒引起更深度的可磨耗封嚴(yán)涂層刮削，并損傷葉片葉尖；其次，合金與合金摩擦產(chǎn)生的摩擦熱和應(yīng)力遠(yuǎn)大于凸起的陶瓷耐磨顆粒與合金摩擦，產(chǎn)生裂紋或者剝落現(xiàn)象的幾率更大，因此硬質(zhì)合金耐磨涂層的使用壽命和密封效果不如鑲嵌有陶瓷耐磨顆粒的葉尖耐磨封嚴(yán)涂層，特別是用于發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部位和刮削較硬的多孔氧化鋯可磨耗封嚴(yán)涂層時(shí)，效果更差。

2 葉尖耐磨封嚴(yán)涂層的制備工藝及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)外均針對(duì)葉尖耐磨封嚴(yán)涂層開(kāi)展了大量研究工作，工作重點(diǎn)就是既要保證涂層中硬質(zhì)顆粒凸出于粘結(jié)金屬的特殊形貌，又要保證涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，且對(duì)葉片基體性能影響較小甚至無(wú)影響。下面介紹6 種已公開(kāi)的葉尖耐磨封嚴(yán)涂層制備工藝及應(yīng)用情況。

2.1 電弧焊

電弧焊技術(shù)是最早的制備葉尖耐磨封嚴(yán)涂層的工藝。美國(guó)通用電氣公司（General Electric Company，簡(jiǎn)稱(chēng)GE）在1965 年公布了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片葉尖耐磨封嚴(yán)涂層的電弧焊制備技術(shù)[2]。該技術(shù)首先將碳化鎢顆粒和鎳粉混合均勻，制備成復(fù)合棒材，棒材內(nèi)的碳化鎢陶瓷顆粒均勻分布在鎳金屬中，然后使用鎢極氬弧焊技術(shù)制備碳化鎢葉尖耐磨封嚴(yán)涂層，最后通過(guò)熱處理使耐磨涂層與葉片合金發(fā)生擴(kuò)散結(jié)合。該涂層具有較好的耐磨性能，但對(duì)葉片合金基體組織的熱影響較大，即在涂層堆焊時(shí)葉片合金基體易萌生裂紋，對(duì)渦輪工作葉片的使用安全和壽命有不利影響。

國(guó)內(nèi)在渦輪工作葉片葉冠嚙合面也有采用硬質(zhì)合金堆焊技術(shù)制備耐磨層，提高葉冠嚙合面耐磨性。

2.2 電鍍

電鍍是目前國(guó)外應(yīng)用最多、最成熟的葉尖耐磨封嚴(yán)涂層制備技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)之一是易于獲得耐磨顆粒凸出于金屬粘結(jié)相的形貌。美國(guó)GE 公司采用一種雙層涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2 所示，成功在葉尖上制備了一種耐磨封嚴(yán)涂層[3-8]。該工藝首先在葉片葉尖真空高溫釬焊一層抗氧化合金，然后在該抗氧化合金釬焊層上填充陶瓷硬質(zhì)顆粒，最后通過(guò)電鍍技術(shù)制備一層Cr、Co 和Ni 基合金耐磨鍍層。為了保證耐磨顆粒均勻的分散在葉尖表面，降低涂層成本，GE 公司在電鍍工藝中使用了一種多孔的絕緣膠帶，膠帶孔隙小于陶瓷顆粒，但保證電鍍電流和電解質(zhì)溶液能夠順利通過(guò)。首先將陶瓷耐磨顆粒均勻分散在膠帶上，粘附在釬焊層合金表面，電解質(zhì)溶液穿過(guò)膠帶的孔隙在釬焊層合金表面形成一層金屬鍍層固定住陶瓷耐磨顆粒，然后取下膠帶，再沉積一層Cr、Co 和Ni 基合金耐磨鍍層。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)層釬焊層合金有助于提高涂層的抗氧化性和抗熱疲勞性能，而外層保證了優(yōu)異的耐磨性能。缺點(diǎn)是由于電鍍的基質(zhì)與涂層內(nèi)部合金的界面結(jié)合力比較薄弱，同時(shí)釬焊及擴(kuò)散粘結(jié)工藝易引起葉片組織的變化。

圖2 真空釬焊-電鍍工藝制備葉尖耐磨封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 A blade-tip wear resistant seal coating prepared using a vacuum brazing-electroplating technique

美國(guó)克珞美瑞燃?xì)鉁u輪有限公司(Chromalloy)發(fā)布了一種含硬質(zhì)磨料的耐磨層工藝，該工藝包括以下步驟：采用低壓等離子噴涂一層連接層，采用電鍍工藝將磨料顆粒（cBN、SiC 或其他陶瓷相）固定在連接層上，然后再通過(guò)填充式電鍍將上述磨料顆粒埋入抗氧化涂層基體中。據(jù)報(bào)道該工藝制備的涂層與噴涂涂層(U.S.P 4610698)的機(jī)械強(qiáng)度相當(dāng)，制造過(guò)程較為簡(jiǎn)單且成本較低[9]。

美國(guó)普萊克斯公司(Praxair Surface Technologies)完全采用復(fù)合電鍍工藝在高溫合金、鋼質(zhì)葉片葉尖上制備了葉尖耐磨封嚴(yán)涂層，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)200 MPa以上，并且制造過(guò)程和成本更簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)批量葉片鍍覆[10]。

2.3 熱噴涂

熱噴涂是一種低成本、在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛的涂層制備技術(shù)，歐美應(yīng)用熱噴涂工藝制備葉尖耐磨封嚴(yán)涂層，用于葉尖處的熱防護(hù)與后期修復(fù)。美國(guó)Perkin-Elmer 公司采用等離子噴涂和超音速火焰噴涂?jī)煞N工藝在葉片葉尖制備氧化鋁·氧化鋯復(fù)合涂層或者氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層[11]。陶瓷涂層粉末材料采用熔融破碎法或噴霧干燥法制備，然后用有機(jī)粘結(jié)劑團(tuán)聚造粒，以便于熱噴涂沉積涂層。

美國(guó)普惠公司(Pratt&Whitney)采用等離子噴涂技術(shù)在渦輪葉片葉尖涂敷厚度2 mm 以上的MCrAlY 涂層，通過(guò)真空熱處理使涂層與葉片材料形成擴(kuò)散結(jié)合。通過(guò)最后加工涂層，保證形成型面與葉片型面完全一致，且涂層的最終厚度應(yīng)保證葉尖在發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件下具備合適的抗侵蝕和腐蝕能力。

國(guó)內(nèi)也有采用等離子噴涂技術(shù)在蓖齒尖端制備氧化鋁·氧化鈦涂層或鎳鋁·氧化鋁涂層，用于降低蓖齒磨損，減小封嚴(yán)間隙，提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

熱噴涂工藝制備的葉尖耐磨封嚴(yán)涂層，金屬基涂層結(jié)合強(qiáng)度一般不超過(guò)70 MPa，陶瓷基涂層結(jié)合強(qiáng)度低于50 MPa，且其涂層表面平整，無(wú)法獲得耐磨顆粒凸出于金屬粘結(jié)相的特殊涂層形貌，在與靜子件涂層碰磨時(shí)仍處于干摩擦態(tài)而非切削態(tài)，存在摩擦生熱高、應(yīng)力開(kāi)裂脫落等不足。

2.4 高溫?zé)Y(jié)

1987 年，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司(United Technologies Corporation,UTC)采用高溫?zé)Y(jié)制備技術(shù)成功將耐磨顆粒均勻粘附在葉尖上[12]。該方法采用SiC 陶瓷耐磨顆粒，采用NiCoCrAlY 合金為涂層基體。該工藝的特點(diǎn)是采用了一種低粘度的粘結(jié)劑溶液，加入燒結(jié)劑和超細(xì)鎳粉混合均勻，將其涂覆于葉尖表面，并將被包覆的陶瓷耐磨顆粒均勻置于葉尖表面；隨后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，燒除粘結(jié)劑，并使陶瓷涂層上的合金層充分?jǐn)U散到葉片表面，同時(shí)超細(xì)鎳粉熔化，冷卻后將葉片合金基體和陶瓷顆粒緊密連接；之后采用熱噴涂或者物理氣相沉積技術(shù)沉積NiCoCrAlY 合金，使其填充在陶瓷顆粒周?chē)詈笸ㄟ^(guò)機(jī)加工和化學(xué)腐蝕工藝使得陶瓷顆粒裸露。

隨后，美國(guó)UTC 公司對(duì)上述工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn)[13]。該改進(jìn)工藝采用粘接劑，將混合均勻的SiC 耐磨顆粒與Ni 基合金粉末混合制成帶狀，再切割成合適的形狀，粘接到葉尖表面，然后通過(guò)低溫真空燒結(jié)去除粘接劑，再加熱到一定溫度使大部分的鎳金屬熔化，冷卻后形成較為致密的葉尖耐磨封嚴(yán)涂層。該工藝優(yōu)點(diǎn)是：制備的耐磨涂層中陶瓷顆粒分布均勻，無(wú)氣孔，與葉尖金屬基體結(jié)合良好，具有較好的高溫性能；缺點(diǎn)是：工藝復(fù)雜、熱過(guò)程對(duì)基體力學(xué)性能影響大。

2.5 釬焊

釬焊技術(shù)是適用于鈦合金葉片葉尖耐磨封嚴(yán)涂層的制備工藝。德國(guó)摩天宇航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司(MTU)采用感應(yīng)釬焊技術(shù)在鈦合金葉片葉尖上制備了以cBN 為耐磨顆粒的耐磨封嚴(yán)涂層；通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，與銀基、金基釬焊材料相比，鈦基焊料的結(jié)合強(qiáng)度最大、耐腐蝕性最好；該工藝包括以下步驟：激光切割釬焊料、清潔葉片和釬焊料、用點(diǎn)焊把釬焊料敷于葉片梢部、用粘接劑將cBN 單晶顆粒敷于葉梢、感應(yīng)釬焊；由于不需要對(duì)鈦合金葉尖進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，釬焊工藝在鈦合金葉片葉尖耐磨封嚴(yán)涂層制備方面具有優(yōu)勢(shì)；MTU 于1998 年已由試驗(yàn)室研究轉(zhuǎn)入生產(chǎn)部門(mén)[14]。1981 年，美國(guó)UTC 公司發(fā)布了一種釬焊技術(shù)制備葉尖耐磨封嚴(yán)涂層的方法。該工藝通過(guò)粉末冶金技術(shù)將碳化硅陶瓷顆粒材料與鎳基合金粉末熱壓成型，保證了耐磨陶瓷顆粒的彌散分布，然后通過(guò)釬焊技術(shù)在渦輪葉片葉尖制備耐磨涂層。

釬焊技術(shù)制備的耐磨涂層在國(guó)內(nèi)上也有應(yīng)用，如采用釬焊技術(shù)在鈦合金葉片凸肩位置制備WC/Co 耐磨涂層，提高了葉片凸肩接觸面耐磨性。

2.6 激光熔覆

美國(guó)Quantum Laser 公司采用激光熔覆技術(shù)在葉尖制備了一種以合金為涂層基體，含有陶瓷耐磨顆粒彌散分布的復(fù)合耐磨涂層。由于激光熔覆過(guò)程導(dǎo)致熔化的涂層基體合金與陶瓷耐磨顆粒發(fā)生熔化混合反應(yīng)，為防止反應(yīng)區(qū)域涂層合金性能降低，造成涂層開(kāi)裂，選擇一種可以強(qiáng)化耐磨顆粒周?chē)廴趨^(qū)域性能的材料作為耐磨顆粒的金屬包覆層。如在耐磨顆粒表面包覆隔熱層Cr，以避免顆粒被熔池熔融，同時(shí)強(qiáng)化基體金屬，又可提高涂層的抗腐蝕性能[15]。Sulzer Metco 公司選擇超硬SiC 顆粒進(jìn)行金屬包覆，嘗試通過(guò)熔覆方式將SiC 顆粒嵌入MCrAlY 內(nèi)，但尚未見(jiàn)其實(shí)際應(yīng)用報(bào)道。

國(guó)內(nèi)采用激光熔覆工藝在重型燃機(jī)的渦輪葉片葉尖上堆焊了鈷基耐磨涂層，用以提高葉尖耐磨性，減小封嚴(yán)間隙，提升發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率[16]。激光熔敷技術(shù)還被用在葉冠接觸面制備CoCrW 硬質(zhì)合金涂層，提高了葉冠接觸面的耐磨性。

目前激光熔覆工藝僅能制備表面平整、組織均勻的金屬基耐磨涂層，尚未成功制備出耐磨顆粒凸出于金屬粘結(jié)相形貌的葉尖耐磨涂層。

3 我國(guó)耐磨封嚴(yán)涂層技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展要求

封嚴(yán)涂層研究自二十世紀(jì)五十年代末開(kāi)始以來(lái)，至今已取得了巨大的進(jìn)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路封嚴(yán)。我國(guó)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和吸收，在封嚴(yán)涂層領(lǐng)域得到了較快發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層材料和涂層制備工藝研究較多，已基本形成了成熟的體系；但耐磨封嚴(yán)涂層材料和涂層制備工藝研究開(kāi)展較少，在發(fā)動(dòng)機(jī)上獲得應(yīng)用的耐磨封嚴(yán)涂層主要有熱噴涂WC/Co 涂層、Al2O3·TiO2涂層、高鈷鉬高鉻涂層以及釬焊WC/Co 涂層、電弧堆焊CoCrW 和CoCrMo 涂層、激光熔敷CoCrW涂層等，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)耐磨封嚴(yán)涂層還存在著很大的差距：一是耐磨封嚴(yán)涂層工藝研究較少，部分涂層制備工藝尚未完全掌握，涂層質(zhì)量不穩(wěn)定，出現(xiàn)開(kāi)裂、掉塊、磨損較快、組織不均勻等問(wèn)題；二是涂層單個(gè)品種發(fā)展相對(duì)較快，但尚未形成滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況設(shè)計(jì)需求的封嚴(yán)涂層體系，而鈦合金壓氣機(jī)葉片和單晶渦輪葉片葉尖用耐磨封嚴(yán)涂層等還缺少預(yù)先研究基礎(chǔ)；三是耐磨封嚴(yán)涂層基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究較少，涂層工藝控制規(guī)范和質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重缺乏，涂層性能的考核評(píng)價(jià)體系尚未建立。

隨著新型高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的發(fā)展，對(duì)封嚴(yán)涂層的需求越來(lái)越迫切，因此，建議加強(qiáng)對(duì)具有耐磨顆粒凸出于金屬粘結(jié)相形貌的高性能葉尖耐磨封嚴(yán)涂層研究，特別是針對(duì)單晶高溫合金葉片葉尖和鈦合金葉片葉尖的涂層工藝研究，另外能夠模擬實(shí)際工況環(huán)境的性能評(píng)價(jià)技術(shù)也成為葉尖耐磨封嚴(yán)涂層研究中的重點(diǎn)技術(shù)手段。

4 結(jié)論

本文介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉尖耐磨封嚴(yán)涂層的材料、制備技術(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用，最后簡(jiǎn)述了我國(guó)耐磨封嚴(yán)涂層技術(shù)的現(xiàn)狀和今后的發(fā)展。隨著新型高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的發(fā)展，迫切需要加強(qiáng)對(duì)新型高性能耐磨封嚴(yán)涂層、鈦合金和單晶高溫合金等新材料葉片葉尖用耐磨封嚴(yán)涂層的研究，同時(shí)發(fā)展模擬實(shí)際工況環(huán)境的葉片葉尖耐磨封嚴(yán)涂層與可磨耗封嚴(yán)涂層刮削等性能測(cè)試和評(píng)價(jià)的新技術(shù)，以進(jìn)一步提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)體系的可靠性，延長(zhǎng)葉片與機(jī)匣使用壽命，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率。