热喷涂技术在先进航空发动机上的应用及前景展望.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 7 ‘ 热喷涂技术在先进航空发动机上的应用及前景展望 王璐 沈阳黎明航空发动机 集团 有限责任公司，沈阳1 1 0 0 4 3 摘要概括性地介绍了在国内航空发动机上已经成熟应用的热喷涂技术，从五个方面阐述了热喷涂技术 未来的研究发展方向。 关键词热喷涂；航空发动机；应用 中图分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S 0 一o 0 0 7 一0 3 A p p l i c a t i o na n dP r o s p e c to ft h e r m a lS p r a y T e c h n o l o g yi nA d v a n c e dA e r oE n g i n e s W A N GL U S h e n g y a n gL i m i n gA e r oE n g i n e sC o ．，L t 也，S h e n y a n g1 1 0 0 4 3 ．C h i n a A b s t r a c t T h et h e r m a ls p r a yt e c h n o l o g i e sw e l la p p l i e dt Oa e r oe n g i n e si nC h i n aareb r i e f l yi n t r o d u c e d ．T h e f u t u r ed e v e l o p m e n to ft h e r m a ls p r a yt e c h n o l o g i e si sd e s c r i b e di nf i v ea s p e c t s ． K e y w o r d s T h e r m a ls p r a y ；A e r oe n g i n e s ；A p p l i c a t i o n 表面工程技术的研究和应用是当前材料科学领 域和先进制造技术中的热点之一，在我国，先进表面 工程技术已成为赶超国际先进水平的重要前沿阵 地。热喷涂技术是表面工程技术的重要组成部分， 其应用领域越来越广泛，在制造业中的地位也越来 越重要。特别是在先进航空发动机的关键制造技术 中，涂层技术在航空发动机关键零部件的耐磨、高温 防护、隔热、封严以及钛合金零件的防微动磨损、阻 燃等方面起了显著的作用，应用越来越广泛。已成 为航空动力装置的核心技术之一，在提高发动机材 料性能方面起到了重要作用，在很大程度上决定着 发动机的性能和水平。同时随着航空发动机性能的 不断提高，也带动了热喷涂技术的飞速发展。 近几年，随着新型号研制和生产的不断需求，沈 阳黎明公司的热喷涂技术得到了长足发展，每年有 大量新技术应用于型号的研制和修理中。本文对已 经成熟应用的热喷涂涂层加以分类介绍，并结合先 进航空发动机的发展趋势，分析热喷涂技术的研究 作者简介王璐 1 9 6 6 一 ，女，高级1 程师，硕士研究生． 发展方向。 2 热喷涂技术在航空发动机上应用情况 涡轮发动机上应用的热喷涂涂层主要包括耐磨 涂层、封严涂层、热障涂层以及高温抗氧化涂层。 2 ．1 耐磨涂层 在发动机服役过程中，可能产生磨损的工作条 件包括微振、滑动、冲击、擦伤、侵蚀等，耐磨涂层应 该具有相当的硬度和一定的耐热性。表1 是目前已 在发动机上成熟应用的几种耐磨涂层。 2 ．2 可磨耗封严涂层 大推力、高效率、低油耗已成为发动机设计和制 造的总体目标，减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之间 间隙的气路封严技术已成为提高发动机性能的重要 手段。目前，航空发动机上采用的气路封严方式主 要有蜂窝封严、镶块封严、多孑L 条封严、金属毡封严、 浆状铸型封严和热喷涂涂层封严。由于热喷涂封严 涂层具有厚度可控、容易返修、硬度可调、可选材料 万方数据 8 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 系列化以及可为机匣提供热障、减少其受高温燃气 影响等优点，已得到越来越广泛的应用。 表l 几种常用耐磨涂层 T a b l e1S e v e r a lc o m m o nu s e dw e a rr e s i s t a n tc o a t i n g s 针对航空发动机的气路密封问题，根据不同的表2 是常用的系列封严涂层。 使用温度和环境，已经发展了一系列的可磨耗涂层， 表2 几种成熟应用的封严涂层 T a b l e2S e v e r a lm a t u r ea p p l i c a t e ds e a l i n gc o a t i n g s 2 ．3 热障涂层和抗高温氧化涂层 热障涂层 T B C s 由于对发动机热端部件的使 用温度起着至关重要的作用，使其成为高温防护涂 层中最受关注的热点之一。黎明公司在热障涂层方 面起步早，导向叶片和隔热屏等零件的等离子喷涂 氧化锆热障涂层以及新型号发动机导向叶片上的纳 米氧化锆热障涂层都已经实现工程化应用。在涡轮 叶片和火焰筒等零件上，各种抗高温氧化涂层也有 成功应用，具体见表3 。 表3热障涂层和高温抗氧化涂层 T a b l e3t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g sa n dh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nr e s i s t a n tc o a t i n g s 涂层名称涂覆方法典型零件 N i C r A l Y 涂层真空电弧镀 真空扩散 A I S I 扩散层真空电弧镀 真空扩散 红宝石涂层火焰喷涂 Z r 0 2 M 9 0 ／N i C r A l等离子 Z r 0 2 Y 2 0 3 ／N i C r A l Y等离子 纳米z r 0 2 Y 2 0 3 ／N i c r A l Y等离子／超音速 涡轮叶片 涡轮叶片 火焰筒 隔热屏 导向叶片 导向叶片 3 热喷涂技术展望 随着航空发动机推重比和首翻期寿命的不断提 高，对热喷涂涂层在可靠性、实用性等方面的要求也 越来越高。为满足飞速发展的航空发动机需求，热 喷涂技术应从以下几方面开展研究。 3 ．1 加强测试方法研究。使涂层评估方法统一化、 标准化 目前在涂层性能评估方面主要存在两个问题 1 基本测试方法不统一，致使数据没有可比性，如 拉伸结合强度测试，胶粘剂有用E 一7 胶的，有用固 体薄膜胶的，对于孑L 隙率高的涂层，测试值会有 5 0 ％以上的偏差。 2 特种涂层性能评估手段不健全或不统一。 如可磨耗封严涂层，目前国内封严涂层研制和生产 过程中，大部分只进行涂层结合强度和硬度的测试， 涂层可磨耗性、抗冲蚀性等专用试验方法很少见报 道，没有标准的试验方法，无法定量测试。为此，应 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 9 。 该研键系列模拟工凝的冲击式刮粼试验视，针对不 阕使用环境下 低澈、中温、高温 的赫严涂层开袋霹 刮削性评价方法研究，以评价封严涂层的实际使用 效果，并建立可刮削性与硬度等性能之间的关系臌I 线，以便在生产中熊够用常规性熊作为控制质量的 攒标。 再如热障涂屡的隔热效果，氐于测试方法的不 统一，目前公布的数据也没有可比性，因此，有必要 建立统一的、能够真实反映涂层使用工况条件下的 隔热效果溯试方法，并使之标准化。 3 。2 开展热嚷涂涂层抗海洋腐蚀技术的研究 随着舰载飞机的发展，对发动机的腐蚀控制成 为研究热点，目前童要集中在材料改进和表面防护 涂屡等的研究，蔼一些功能性热唆涂涂层，如正在应 用的封严涂凄，镰一石墨、镍一氮化禳、锻镶等，耐磨 涂滕W C 一1 2 C o 等与所喷涂零件的电极电位蓑是 多少，海洋环境下服役使用寿命是多少，等等，几乎 都没有报道，对这些功能性热喷涂涂层的抗抗海洋 腐蚀性能研究基本处予空皇。因戴，有宓、要懿大辩 研投入的力度，为设计部门提供可靠的数据支持及 解决方案。 3 ．3 开展新涂层的研究 委嚣热喷涂涂鼷的研究进震恐经落后手发动视 的设计需要，对一蕊特殊功能涂层的需求已遥在殿 睫。如 1 能够在12 0 0 ℃长期、可靠工作的高温可 磨耗封严涂层。 2 适合多联体导向叶片工程化应 用的长寿命热障涂层。 3 ．4 开展热菠涂过程囊动绽、餐熊{ 艺硒究 热喷涂工艺是一个过程控制工艺，涂层的最终 性能与喷涂过程的每一个环节密不可分，任何一个 缨小的差舞，都会产生不同的结果，为保谖涂层质量 麓可靠性，应采耀岛动纯喷涂。但晷前酲内发动视 行业喷涂自动化程度很低，一是目前质擞控制软件 不完善，二是由于航空发动机上待喷涂的零件结构 复杂，自动喷涂编程难度大。自动化生产效率低，不 适合大熬囊生产。因戴露要与塞动毒l 专娃入员密甥 配合，开发智能化的编程软件，实现喷涂路径的自动 规划，以提高喷涂过程自动化水平，保证涂层质量的 一致性、稳定性和可靠性。 3 。5 龛罄热喷涂技零设镑体系 热喷涂涂层的设计应该是针对实际零件的工况 条件和使用寿命要求，综合分析可能的失效形式，合 理确定涂层材料及工艺，必要时进行模拟实验，预测 使用寿命，评估技术经济性。薅目前大多数涂层的 设计仍基本筹整在经验设计阶段。许多涂瑟只有经 历了发动机试车考核，甚至到了发动机宠型生产阶 段才暴露出存在的寿命可靠性问题，对于型号的科 研和生产影响极大。因此非常有必要尽快建立完善 鳇热喷涂涂层设计体系 毽括涂屡寿命预测模鍪 。 欲建立较为完善的热喷涂涂层设计体系，当务 之急是建立大型的涂层数据库，广泛搜集包括材料 成分与服役性能的关系，涂层性能与服役性能的关 系，工况条{ 譬及其变仡对涂层性能的要求，王艺方法 以及裰荧工艺参数，工艺设备等一切有关热喷涂的 数据，评估现有理论和经验公式的成熟性，然后通过 数学建模并应用计算机技术逐步建立和宪善热喷涂 涂层设计体系。要达到这个譬标，仅靠某个单位或 个人静力爨显然是无法完成鳇。必须集会全行韭豹 力量，通过充分的信息交换，实现资源共事、成果共 享。 万方数据