趙云，史科，詹家佳，于曉航

( 中航新大洲航空制造有限公司，北京，100013 )

0 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流損失的研究不斷深入，發(fā)動(dòng)機(jī)的封嚴(yán)技術(shù)得到了越來(lái)越多的重視，其中篦齒封嚴(yán)技術(shù)被廣泛用于阻隔高低壓腔之間的流體泄漏[1-3]。為了提高封嚴(yán)效果，通常在帶篦齒旋轉(zhuǎn)件上涂覆一層耐磨封嚴(yán)涂層，在對(duì)磨的靜子表面涂覆可磨耗封嚴(yán)涂層或焊接蜂窩裝置。研究[4]表明，隨著封嚴(yán)篦齒間隙從1.0 mm 減小到0.2 mm，氣體實(shí)際泄漏流量減小幅度可達(dá)73%，但實(shí)際工況中，由于零件的熱脹冷縮和高速轉(zhuǎn)動(dòng)造成的偏心等導(dǎo)致篦齒間隙是變化的，間隙過(guò)小容易導(dǎo)致涂層大面積脫落或零件燒蝕等情況，因此在零件機(jī)加尺寸相對(duì)穩(wěn)定的情況下，封嚴(yán)涂層的厚度控制尤為重要。同時(shí)隨著篦齒間隙的減小，對(duì)涂層的質(zhì)量也提出了更高的要求，目前國(guó)內(nèi)關(guān)于封嚴(yán)篦齒涂層種類以及涂層性能方面有較多的研究[5-8]，但是對(duì)于篦齒涂層批生產(chǎn)中的厚度控制方法以及典型缺陷和解決辦法報(bào)道較少。工藝控制方法包括噴涂參數(shù)控制、涂層厚度控制、涂層性能控制以及涂層外觀控制，本文主要研究批生產(chǎn)過(guò)程中等離子噴涂制備篦齒封嚴(yán)涂層的厚度和外觀控制。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料及涂層制備

Ni-Al 涂層具有良好的耐磨性以及抗高溫腐蝕性，常用于耐磨封嚴(yán)涂層的底層。氧化鋁涂層具有較高的硬度、較低的摩擦系數(shù)及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，是理想的耐磨涂層，但同時(shí)存在質(zhì)脆、對(duì)應(yīng)力集中和裂紋敏感、抗熱震性差等弱點(diǎn)，而氧化鈦涂層具有耐磨性能好，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，涂層韌性好等優(yōu)點(diǎn)，在氧化鋁粉末中添加少量氧化鈦，可提高涂層韌性及結(jié)合強(qiáng)度。因此Ni-Al/ Al2O3-TiO2涂層在耐磨封嚴(yán)篦齒中應(yīng)用廣泛[9,10]。

試片基體材料為GH4169，噴涂前處理砂粒采用70 目白剛玉，吹砂參數(shù)詳見(jiàn)表1，吹砂后基體表面粗糙度在Ra 2 ～ 4 μm。噴涂所使用的粉末以及牌號(hào)分別為Ni-5%Al ( METCO ) 和Al2O3-TiO2(METCO 101NS ) ，設(shè)備采用Multicoat F4 型等離子噴槍，噴涂參數(shù)詳見(jiàn)表2，涂層典型金相顯微組織如圖1 所示，底層涂層厚度為0.10 mm - 0.15 mm，面層涂層厚度在0.2 mm - 0.25 mm，底層孔隙率小于2%，有少量氧化物，面層孔隙率小于2%，未見(jiàn)界面分離、分層、氧化簇等缺陷。

圖1 Ni-5%Al/ Al2O3-TiO2 涂層金相顯微組織圖：( a ) Ni-5%Al 涂層金相顯微組織圖； ( b ) Al2O3-TiO2 涂層金相顯微組織圖Fig.1 Metallographic microstructures of Ni-5%Al/ Al2O3-TiO2 coating:( a ) metallographic microstructures of Ni-5%Al coating, ( b ) metallographic microstructures of Al2O3-TiO2 coating

表1 吹砂參數(shù)Table 1 Sandblasting parameters

表2 等離子噴涂參數(shù)Table 2 Plasma spraying parameters

1.2 涂層性能測(cè)試及表征方法

1.2.1 涂層金相顯微組織觀察以及涂層厚度測(cè)量

采用Leica DM ILM LED 型金相倒置顯微鏡對(duì)涂層金相顯微組織進(jìn)行觀察，其中實(shí)驗(yàn)室涂層厚度測(cè)量在顯微鏡自帶圖像處理軟件中進(jìn)行。底層涂層厚度定義為底層表面的平均值和基體/底層界面的表面平均值之差，面層涂層厚度定義為面層表面的平均值和底層表面的平均值之差，所有涂層厚度均在100 倍下進(jìn)行測(cè)量。詳細(xì)測(cè)量過(guò)程為：( 1 ) 對(duì)試片或零件涂層各區(qū)域進(jìn)行拍照；( 2 ) 在基體/底層界面、底層表面以及面層表面水平畫(huà)線得到各個(gè)表面波峰-波谷的平均值；( 3 ) 測(cè)量各平均值間的數(shù)值即可得到相應(yīng)的涂層厚度。

現(xiàn)場(chǎng)試片涂層厚度測(cè)量采用直徑最小為 2 mm的平頭千分尺，分別測(cè)量3 個(gè)不同的位置后求取平均值。

1.2.2 對(duì)比關(guān)系建立

由于零件篦齒形狀限制，在批生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法對(duì)其所有區(qū)域涂層的厚度進(jìn)行直接測(cè)量。本文對(duì)于篦齒涂層厚度的測(cè)量，采用了一種間接的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)對(duì)其監(jiān)控，具體方法為：在工藝驗(yàn)證階段使用材質(zhì)與零件相同或相近的試片與零件一同噴涂，通過(guò)工裝的設(shè)計(jì)，使試片的噴涂角度、噴涂距離以及線速度與零件相同，之后對(duì)其進(jìn)行解剖制樣，在顯微鏡下分別測(cè)量試片和篦齒所有區(qū)域涂層的厚度，由于涂層沉積過(guò)程為層狀不斷累積的過(guò)程，因此可認(rèn)為試片的涂層厚度與篦齒涂層厚度之間為線性關(guān)系，之后建立起試片涂層厚度與篦齒齒尖和齒側(cè)的涂層厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將此關(guān)系應(yīng)用于批生產(chǎn)階段，通過(guò)對(duì)試片涂層厚度的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件涂層厚度的監(jiān)控。

2 篦齒封嚴(yán)涂層的厚度控制

篦齒類零件噴涂區(qū)域幾何形狀不規(guī)則，圖2所示為某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)低壓部分零件噴涂區(qū)域示意圖，以此為例，為保證良好的密封效果，除需滿足相應(yīng)的金相 ( 孔隙率、未熔顆粒、氧化等級(jí)、裂紋等 ) 以及結(jié)合強(qiáng)度等性能指標(biāo)外，還需要滿足涂層厚度要求（表3），不同噴涂區(qū)域厚度不同且涂層厚度需均勻過(guò)渡。

圖2 封嚴(yán)環(huán)篦齒噴涂區(qū)域示意圖Fig.2 Sealing ring labyrinth seal spraying area diagram

表3 封嚴(yán)環(huán)篦齒涂層厚度要求Table 3 Coating thickness requirementsfor sealing ring labyrinth

2.1 試片涂層厚度與零件涂層厚度對(duì)比關(guān)系

試片和零件涂層厚度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4，由于篦齒形狀復(fù)雜導(dǎo)致篦齒齒尖和齒側(cè)區(qū)域噴涂距離和噴涂角度有差異，篦齒齒尖和齒側(cè)區(qū)域的涂層厚度不同。為方便批生產(chǎn)控制，建立試片和篦齒涂層厚度間的對(duì)比關(guān)系，以試片涂層厚度為橫軸，篦齒涂層厚度為縱軸作圖 ( 如圖3 和圖4 所示 ) ：將齒尖和齒側(cè)涂層厚度的最大/最小值分別與坐標(biāo)原點(diǎn)連線 ( 分別對(duì)應(yīng)圖中的黑線和紅線 ) ，兩條線所夾的區(qū)域?yàn)椴煌嚻繉雍穸葘?duì)應(yīng)在零件齒尖和齒側(cè)的涂層厚度范圍；齒尖和齒側(cè)涂層厚度要求如表2 所示分別為0.05 ～ 0.2 mm和0.03 ～ 0.2 mm，將其在圖中標(biāo)注 ( 紅色虛線部分 )；以篦齒齒尖區(qū)域涂層厚度為例，涂層厚度上下限分別與上述所劃黑線相交，通過(guò)交點(diǎn)可分別對(duì)應(yīng)出試片上的涂層厚度上下限，將兩者取交集，即圖中P1 和P2 對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)數(shù)值范圍，當(dāng)試片涂層厚度在此范圍內(nèi)時(shí)，篦齒齒尖涂層厚度滿足0.05 ～ 0.2 mm 的涂層厚度要求；采用此方法可得出篦齒齒側(cè)涂層厚度滿足要求時(shí)，試片的涂層厚度范圍。

圖3 試片和篦齒底層涂層厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.3 Correlation of BC thickness between coupon and labyrinth

圖4 試片和篦齒面層涂層厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.4 Correlation of TC thickness between coupon and labyrinth

表4 試片和篦齒涂層實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果Table 4 Laboratory test results of coupon and part coating

由圖3 和圖4 中所示試片涂層和篦齒涂層間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用上述計(jì)算方法可得出試片涂層厚度要求：BC ( 底層 ) : 0.13 ～ 0.22 mm；TC ( 面層 ) : 0.16 ～ 0.31 mm。

通過(guò)此關(guān)系圖即可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)任務(wù)，如當(dāng)試片涂層厚度為150 μm 時(shí)，對(duì)應(yīng)篦齒齒尖區(qū)域涂層厚度范圍為50 μm -130 μm，齒側(cè)涂層厚度范圍為70 μm - 120 μm。

2.2 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)試片涂層厚度與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量涂層厚度對(duì)比關(guān)系

2.1 節(jié)中所有結(jié)果均為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，在批生產(chǎn)中由于生產(chǎn)效率以及批次控制問(wèn)題，需在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)了解零件噴涂涂層厚度。通常生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量涂層厚度采用最小直徑2 mm 的千分尺測(cè)量，而實(shí)驗(yàn)室測(cè)量涂層厚度為顯微鏡下通過(guò)截面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方式的不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不同，因此實(shí)驗(yàn)室結(jié)果不能直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)批生產(chǎn)的工藝控制過(guò)程。

圖5 為千分尺和顯微鏡兩種測(cè)量方式的結(jié)果示意圖，涂層表面高低起伏，千分尺測(cè)量的為最高點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值為波峰和波谷的平均值，波峰和波谷的差值主要與粒子的熔融狀態(tài)以及飛行速度有關(guān)，通過(guò)工藝控制，對(duì)于同一零件其表面起伏程度我們可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，因此，可以在兩者間建立某種對(duì)比關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)涂層厚度的批生產(chǎn)控制。

圖5 千分尺和顯微鏡涂層厚度測(cè)量結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of coating thickness measurement results between micrometer and microscope

表5 為現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室涂層厚度測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表5 可知，對(duì)于底層涂層，現(xiàn)場(chǎng)厚度測(cè)量值明顯高于實(shí)驗(yàn)室；對(duì)于面層涂層，現(xiàn)場(chǎng)厚度測(cè)量值低于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值，但幅度較底層小。這是由于金屬底層和陶瓷面層粉末粒度、熔融狀態(tài)以及易變形程度的不同，導(dǎo)致金屬底層表面起伏較陶瓷面層大，經(jīng)測(cè)量金屬底層表面粗糙度在Ra 15 ～ 20 μm，陶瓷面層表面粗糙度在Ra 8 ～ 10 μm。

表5 現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室涂層厚度測(cè)量結(jié)果Table 5.Coating thickness results measured on site and in lab

對(duì)表5 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表6，由表6 可知，實(shí)驗(yàn)室底層涂層厚度/現(xiàn)場(chǎng)底層涂層厚度= 0.738，實(shí)驗(yàn)室面層涂層厚度/現(xiàn)場(chǎng)面層涂層厚度= 1.142。

表6 現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室涂層厚度測(cè)量結(jié)果分析( mm/mm )Table 6 Coating thickness results measuredon site and in lab ( mm/mm )

結(jié)合2.1 節(jié)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的試片涂層厚度結(jié)果BC(底層): 0.13 ～ 0.22 mm；TC ( 面層 ) : 0.16～ 0.31 mm，計(jì)算出現(xiàn)場(chǎng)的涂層厚度要求：BC:0.176 ～ 0.298 mm；TC: 0.14 ～ 0.27 mm。

2.3 對(duì)比關(guān)系在批生產(chǎn)中的應(yīng)用

批生產(chǎn)中篦齒直徑方向涂層厚度控制在 ( 0.35± 0.05 ) mm，工藝上設(shè)定涂層厚度：底層0.1 ～ 0.15 mm，面層0.2 ～ 0.25 mm。依據(jù)2.1 中對(duì)比關(guān)系的建立方法對(duì)篦齒直徑方向涂層厚度建立對(duì)比關(guān)系 ( 如圖6 和圖7 所示 ) ，對(duì)應(yīng)試片涂層厚度范圍為：BC: 0.12 ～ 0.17 mm；TC: 0.24 ～ 0.30 mm。但2.1 中底層涂層厚度范圍為0.13 ～ 0.22 mm，因此對(duì)于直徑方向涂層厚度控制范圍應(yīng)為：0.13 ～0.17 mm。

圖6 試片和篦齒直徑方向底層涂層厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.6 Correlation of BC thickness between coupon and labyrinth

圖7 試片和篦齒直徑方向面層涂層厚度對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.7 Correlation of TC thickness between coupon and labyrinth

根據(jù)2.2 中的系數(shù)計(jì)算得出現(xiàn)場(chǎng)涂層厚度控制范圍為：BC: 0.176 ～ 0.23 mm，TC: 0.21 ～ 0.26 mm。

3 篦齒封嚴(yán)涂層的外觀質(zhì)量控制

涂層的質(zhì)量包括金相顯微組織和結(jié)合強(qiáng)度等涂層性能指標(biāo)以及涂層外觀質(zhì)量，其中金相顯微組織和涂層性能指標(biāo)主要受粉末種類、噴涂工藝參數(shù)以及噴涂路徑等影響，涂層外觀質(zhì)量除與工藝參數(shù)有關(guān)外，噴涂的工裝保護(hù)方法對(duì)其也有著不可忽視的影響。

為了確保噴涂區(qū)域滿足圖紙的要求，需要設(shè)計(jì)工裝對(duì)非噴涂區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，目前多數(shù)的保護(hù)方式為在零件上粘貼膠帶，之后再用金屬工裝進(jìn)行保護(hù)，這種方式在批生產(chǎn)過(guò)程中存在以下問(wèn)題： ( 1 ) 涂層容易在工裝與零件的交界處產(chǎn)生堆積或毛刺 ( 如圖8 所示 ) ； ( 2 ) 膠帶的邊緣位置易壓在涂層下面，不易去除。

圖8 膠帶保護(hù)導(dǎo)致的涂層毛刺Fig.8 Coating bur caused by tape protection

涂層堆積會(huì)造成該處涂層厚度過(guò)厚，不易于整體涂層厚度的控制；涂層毛刺以及下面有膠帶的涂層在服役過(guò)程中會(huì)因?yàn)榇颂幫繉咏Y(jié)合強(qiáng)度較低而脫落，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件產(chǎn)生不良的影響，因此這些缺陷均需在加工后進(jìn)行手工去除，增加了人工和時(shí)間成本，且不利于質(zhì)量控制。目前膠帶保護(hù)及手工去毛刺的操作已成為制約噴涂行業(yè)批生產(chǎn)效率和質(zhì)量提升的一個(gè)重要因素，因此需要通過(guò)工裝的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)涂層在過(guò)渡區(qū)域的平滑過(guò)渡并消除涂層毛刺。

本文中采用了一種自主開(kāi)發(fā)且經(jīng)認(rèn)證的耐高溫硅橡膠以及金屬工裝共同保護(hù)的方法，硅橡膠具有可重復(fù)使用、快速安裝、成本低、不易沉積涂層等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)硅橡膠形狀的設(shè)計(jì)可有效的消除涂層邊緣毛刺，硅橡膠和金屬工裝設(shè)計(jì)有一定的遮擋角度，在噴涂過(guò)程中涂層在邊界處被遮擋，從而形成涂層厚度由無(wú)到有的平滑過(guò)渡，工裝示意圖以及噴涂外觀如圖9 所示。

圖9 保護(hù)工裝以及涂層外觀形貌圖(a) 篦齒封嚴(yán)零件噴涂保護(hù)工裝； (b) 篦齒封嚴(yán)零件涂層噴涂態(tài)外觀形貌圖Fig.9 Images of masking method and coating appearance(a) coating protective masking for labyrinth sealing parts , (b) appearance of as sprayed coating of labyrinth sealing parts

4 結(jié)論

( 1 ) 篦齒零件形狀復(fù)雜，通過(guò)采用硅橡膠和金屬工裝共同保護(hù)的方式，可有效避免涂層局部堆積情況并消除涂層邊界的毛刺等缺陷。

( 2 ) 通過(guò)在工藝驗(yàn)證階段建立實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的試片和零件間涂層厚度的對(duì)比關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)批生產(chǎn)中對(duì)于篦齒涂層厚度的間接監(jiān)控；通過(guò)建立實(shí)驗(yàn)室測(cè)量試片涂層厚度和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試片涂層厚度