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表面涂层技术在航空发动机上的应用

发布时间:2017-02-27
  航空发动机表面涂层技术分类
 
  1、保护涂层
 
  主要应用部位:管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件;涡轮叶片和燃烧室受到高温燃气冲刷,在热应力以及燃气中S和O元素的作用下发生化学反应,造成微损伤,受到微损伤的构件在振动作用下,会产生微裂纹,微裂纹扩展可导致构件断裂。
 
  抗磨、抗冲击涂层,包括叶片榫头和盘榫槽之间涂的耐磨涂层,高压压气机叶片型面上涂的有机硅耐磨涂层,压气机叶片阻尼凸台上涂的防止运转振动时叶片间相互撞击、摩擦、磨损的叶片振动涂层,涡轮叶片防热盐涂层等。
 
  2、封严与密封涂层
 
  封严涂层:为限制转子、静子之间的间隙,不让气体泄漏,在静子、转子叶片或封严蓖齿上涂覆软、硬涂层,用磨损涂层的方法来保持封严。
  密封涂层:有的静子叶片式插入静子内环的,二者的间隙造成气流损失,这时可采用密封涂层封住,这要求密封涂层耐高温、扛振、柔软,长期不老化。
  可磨耗封严涂层:发动机的压气机和涡轮机的机匣上,Ni-石墨、Ni-PTFE等减磨复合涂层。
 
  3、橡胶涂层
 
  a、橡胶涂层属于高弹性分子材料,振动时可吸收能量,有明显的阻尼作用,且耐磨、耐老化,密封性好,使用寿命长、易更换、便于维护,能够明显提高叶片的使用寿命。
  b、叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动。
  c、航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负荷状态,在振动作用下最容易被破坏,所以叶片的减振非常重要。
 
  减振措施
 
  a、在叶片设计上可采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施。
  b、采用橡胶涂层,即将橡胶涂层涂于压气机叶片燕尾槽底部,然后将叶片装入压气盘的燕尾槽内。
 
  4、热障涂层
 
  热障涂层是复合型涂层,其结构在各种涂层中最为复杂,用MCrAlY作为底层,再在其上喷涂用Al2O3或MgO稳定化的ZrO2作面层。有资料报道,涂了0.127mm隔热涂层后,叶片金属温度降低189℃,冷却气流减少50%。由于该涂层的陶瓷材料较脆,目前只能用在导向器叶片上。
 
  现代航空发动机的涡轮进口温度高达1650~1750℃,但第三代单晶材料只能承受1100℃的温度;用复杂的气冷方式,冷却效果也只有400℃左右,还有100~200℃的差距,只能靠发展热涂层技术来解决这一问题。近年来,热障涂层已成为涡轮叶片设计和维护的关键技术之一。
 
  随着航空航天技术的发展,中国的隔热高温涂层技术也有了长足进步,热障涂层早就应用于发动机燃烧室、喷口、涡轮叶片等处。
 
  压气机叶片防护工艺
 
  WZL涂层
 
  WZL涂层是一种由复合盐组成的涂料,具有良好的渗透性和结合力,形成涂层后,可改善涂层粗糙度,具有更高强度和硬度,抗气流冲刷能力明显提高。
 
  Ni-Cd扩散镀层
 
  Ni-Cd镀层是在叶片上先镀膜上8~12um厚的Ni层(作为不锈钢基体的阴极保护层),再在上面镀3~5um厚的Cd层,在350℃温度下进行1h扩散处理,形成Ni-Cd合金层和y~Cd4Ni金属间化合物,该合金对不锈钢基体来说为阳极合金镀层,具有牺牲性阳极保护能力。Ni-Cd扩散镀层对叶片具有很好的防护作用,能在一定程度上降低叶片振动疲劳。
 
  Al2S低温渗Al复合涂层
 
  Al2S涂层分两步进行,即先进行低温渗铝,而后再涂硅酸盐。渗铝层为叶片基体提供牺牲性阳极保护,硅酸盐涂层为障碍性隔离保护涂层。从工艺技术来看,它是由热处理渗层和表面涂层相结合的复合防护层,具有很高的防腐蚀能力,已在国内外得到普遍应用。
 
  叶片榫头防护涂层
 
  压气机叶片榫头不但要承受叶片的离心负荷,而且还要承受很大的挤压应力、振动应力和微振磨损。为了提高叶片榫头的使用可靠性,目前广泛采用保护涂层或镀层。
 
  a、我国某涡喷系列发动机的钛合金转子叶片榫头采用镀银;
  b、某涡扇发动机的钛合金风扇叶片榫头采用干膜润滑剂,钛合金转子叶片榫头也采用镀银;
  c、我国某涡扇发动机的GH4169合金转子叶片榫头采用喷丸强化,TA11钛合金叶片采用Cu-Ni-In等离子喷涂涂层。
 
  燃烧室防护工艺
 
  燃烧室表面涂层的目的是提高零件的抗氧化、耐热、耐磨和密封性能。可采用:
 
  1、陶瓷涂层
 
  陶瓷涂层是抗氧化涂层,如我国某些涡喷系列发动机火焰筒壁内外表面、加力燃烧室的火焰稳定器、调节片和密封片等均涂有陶瓷涂层。
 
  2、氧化锆涂层
 
  氧化锆涂层是隔热涂层,如加力燃烧室后部工作温度高,易产生热裂纹和烧蚀,改进后的涡喷发动机在此部位的隔热屏上喷涂了氧化锆涂层后,大大减少了此类故障的产生。
 
  3、Co~Cr~W涂层
 
  Co~Cr~W涂层是耐磨涂层,涂在火焰筒外套后安装边挂火焰筒处,提高了零件的使用寿命。还有个别的燃烧室零件采用了表面镀铬、镀镍、镀银、镀锌和涂漆或高温磁漆工艺。
 
  涡轮叶片
 
  目前国内在役的涡喷、涡扇发动机的寿命一般小于1000h,很难用一种材料同时满足叶片长期工作所需的高温蠕变强度和抗高温氧化腐蚀性能,通常通过复杂合金化来提高基体材料的耐高温强度,用表面涂层来提高防护性能。
 
  目前,用于航空发动机涡轮工作叶片和导向器叶片的涂层工艺主要有四大类:
 
  1、铝化物扩撒涂层
 
  采用化学热处理方法,如粉末包埋法、料浆法、气相法等,使叶片表层获得富铝层(Al的质量分数在30%以上),厚度5~40um,表面生成Al2O3保护膜,膜在破裂后有较好的自愈性,能满足涡轮叶片的防护要求,是一种工艺简单、费用低廉、工艺稳定的扩散涂层方法。
 
  2、改性铝化物扩散涂层
 
  a、为弥补渗铝层的以上不足,20世纪60年代末改性铝化物扩散涂层被开发出来,如Cr~Al、Si~Al、Ti~Al、Pt~Al、Pd~Al、Ti~Si~Al、NiCr~CrAl等。
  b、其中性能最优的是Pt~Al改性扩散涂层,同时这种涂层在工业燃气轮机中也获得了广泛应用,使燃机工作寿命可超过5000h。
 
  3、包覆涂层
 
  a、包覆涂层是先进的高温防护涂层,其典型的成分为MCrAlY(M=Fe,Co,Ni),其质量分数为Cr(20~40)%、Al(5~12)%、Y(或其他活性元素Ta、Hf等)小于0.5%包覆涂层的特点是成分兼顾了抗氧化腐蚀性和塑性,因为它的塑性比扩散涂层好,所以厚度允许大些,通常为100um左右。
  b、目前制备MCrAlY包覆涂层的工艺方法有物理气相沉积(电子束物理气相沉积、磁控溅射、PVD真空电弧离子镀)和等离子喷涂(低压等离子喷涂、氩屏蔽等离子喷涂)。
 
  4、热障涂层
 
  其喷涂工艺主要有等离子喷涂及电子束气相沉积两种方法。
 
  其他部件防护措施
 
  1、对涡扇发动机涡轮机匣、涡轴发动机涡轮盘、涡轮叶片榫齿都进行表面喷丸处理。
  2、对重要齿轮,如在渗碳齿轮表面(啮合面)采用喷丸强化、镀银等措施。
  3、为了提高传动轴的耐腐蚀性能和耐磨性能,常对轴承进行镀铬、镀镍、镀镉、镀铜等处理。
  4、为避免镁合金传动机匣铸件发生接触腐蚀,除了对其进行阳极化处理外,也需要涂层作为隔离保护。
  5、紧固件如螺栓、螺母、卡圈、锁片等也采用镀银、镀铜、镀锌、镀镉等工艺。在工作温度较高的管接件接头螺纹处镀铜,以防止螺纹粘结。

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