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航空发动机表面镀膜涂层技术可提高部件高温耐磨性

发布时间:2017-02-24
  现代航空发动机设计将集中于减少燃料消耗和增强推重比,同时提高可靠性和寿命。满足这一需求面临结构设计和新材料的挑战,其中表面镀膜涂层技术对突破这些瓶颈有重要作用。涂层通常指涂敷于零件表面的一层特殊材料,对提高材料性能、延长零件工作性能的作用十分显着,是航空发动机制造必不可少的技术手段。现代航空发动机有75%以上的零件都涂敷各种涂层以改进性能和可靠性,此类涂层的加工工艺具有非传统加工特点,因此高能束流加工技术为各种涂层的制备提供了有效途径。
 
  破译高能束涂层技术的“黑匣子”
 
  高能束流具有很高的能量密度,其物质形态主要表现为激光束、电子束、离子束、等离子体、分子束、原子束、中子束、质子束等。高能束表面涂层技术指利用高能量束流使材料发生固态相变、熔化、蒸发、气化、沉积、凝固等现象,在材料的表面形成防护或功能涂层,以提高材料的寿命或使用性能。高能束表面涂层技术具有能量精确可控、柔性强、加工效率高、质量优、资源节约、环境友好等综合优势,既适用于大批量高效自动化生产,又可用于多品种、小批量、个性订制的生产加工。在航空航天、汽车、轨道车辆、船舶、冶金、电子信息、生物医疗、新能源等领域,高能束表面镀膜涂层技术都已开始大量应用。
 
  航空发动机高能束技术涂层系列
 
  航空发动机不同部件由于工作环境的差别需要不同的涂层,按功能可以分为:热障涂层、高温抗氧化涂层、阻燃涂层、环境障碍涂层、封严涂层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层、抗冲刷涂层、抗微动磨损涂层、憎水涂层、隐身涂层等,它们在航空发动机中的应用情况如图1所示。采用的技术主要有:电子束物理气相沉积(Electron Beam-Physical Vapor Deposition,EB-PVD)、大气/真空等离子喷涂、超声速火焰喷涂、冷喷涂、真空电弧沉积和磁控溅射等。
 
  热障涂层的重要应用之一是在航空发动机的高温金属部件上这些金属部件提供了航空发动机所需的强度,却不能承受航空发动机为了提供必要动力所需的高温环境。热障涂层应用于这些高温部件,阻止高温燃气对这些部件的直接作用,以提高其工作温度和寿命。
 
  高温抗氧化涂层用来提高航空发动机部件的抗高温氧化和热腐蚀性能。航空发动机燃烧室和涡轮叶片需要承受高温燃气冲击,这些部件需要涂敷高温抗氧化涂层来提高使用寿命。
 
  环境障碍涂层是指在航空发动机环境下使用的高温结构材料的表面防护涂层,阻止或减小发动机环境对高温结构材料性能的影响。陶瓷基复合材料具有很强的耐高温能力,是最有希望取代镍基高温合金在发动机热端部件中得以应用的高温结构材料。然而,陶瓷基复合材料在发动机环境中会与氧气、水蒸气和二氧化碳发生氧化反应,所以必须采用环境障碍涂层来防护。
 
  阻燃涂层通常是在钛合金零部件的表面,尤其是易发生摩擦的表面,涂敷一层难于燃烧的材料,以便在一定的温度和能量冲击下,阻止摩擦热的积累,起到阻燃防护的作用,在已燃烧的情况下,能有效延缓或阻止燃烧的进展。钛合金阻燃涂层主要用于钛合金制成的压气机转子叶片和机匣内环。

航空发动机
 
  封严涂层主要用于发动机气路密封,控制机械部件运转间隙,以减少气体泄漏、增加喘振裕度、降低油耗、提高压气机和涡轮效率。在发动机压气机叶片、涡轮叶片与外环机匣之间,均用到封严涂层,如图3所示。封严涂层的性能,直接影响发动机的功率、推力和效率。
 
  耐磨耐腐蚀涂层通常具有较高的硬度,要求涂层与基体结合强度高,应用于摩擦磨损零件,如轴、轴承、柱塞等,以提高这些零件的使用寿命。抗冲刷涂层应用于风扇和压气机叶片,空气中的尘埃、水滴和沙粒等在高速气流作用下将对风扇和压气机叶片造成严重的冲蚀,海洋环境下发动机构件还将发生严重的腐蚀问题,采用抗冲刷涂层技术可以提高这些部件的使用寿命。
 
  微动磨损是在相互压紧的表面由于小振幅振动而产生的一种复合式磨损。叶片的榫头和榫槽接触面、螺栓联接、铆钉联接、键或销联接等接触表面部位都容易发生微动磨损。抗微动磨损涂层是涂敷于基体零件上以承受表面反复加载和卸载周期性应力而阻止或减少基体零件蠕动腐蚀或表面疲劳损伤的涂层。
 
  航空发动机结冰会大大限制通过发动机的空气流量,从而引起发动机性能损失并可能会使发动机发生故障。憎水涂层主要是通过制备超疏水结构的涂层,使涂层与水的接触角变大,从而达到防止结冰的作用,提高飞行器的安全。
 
  航空发动机的隐身涂层主要包括红外隐身和雷达隐身。红外隐身涂层是通过部件表面涂敷的低发热率材料来降低发动机红外辐射特征的,雷达隐身涂层是通过在部件表面涂敷雷达吸波材料来降低雷达截面积(RCS)的,先进航空发动机的进气机匣、尾喷管等部位需要红外及雷达隐身涂层的防护。
 
  当前,单一的材料往往无法满足高性能航空发动机的使用需求,而表面涂层技术可以非常有效地弥补材料性能的不足,是材料、零件适应航空发动机严苛工作条件的“铁布衫”,在我国航空发动机制造领域的应用方兴未艾,有非常广阔的发展前景。

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