高溫可磨耗封嚴涂層研究進展

丁 一，章德銘，劉建明，魯秋源，楊永琦

北京礦冶研究總院，北京 100070

目前國內外都在從發動機的結構設計上考慮降低油耗，實踐證明，封嚴涂層是一種較理想的解決辦法，即把涂層涂覆在轉子件和靜子件上，當發動機工作時，動、靜件之間產生干涉、磨擦、磨損一部分涂層，從而得到了發動機工作狀態下的最小間隙。這樣可提高發動機的工作效率，改善性能，節約能源，降低油耗，并使發動機的使用壽命提高。以航空發動機主流道中葉尖間隙的密封為例，國內外借助數值計算和實驗研究分析的手段，分析了葉尖間隙對航空發動機的影響。漆文凱等人的研究指出[1]，葉尖間隙與葉高之比每增加0.01，會引起壓氣機或渦輪效率降低約0.8%～1.2%；會使雙轉子渦輪風扇發動機的耗油率增加約2%。張曉波等人分析認為[2]，在壽命周期費用（LCC）方面，減小高壓渦輪葉尖間隙所得到的效益是低壓渦輪的4倍，是高壓壓氣機的2倍。Scott B.Lattime等人分析認為[3]，高壓渦輪葉尖間隙每減少0.254mm，消耗率約降低1%，排氣溫度約減少10℃。

1 高溫封嚴涂層材料種類

可磨耗封嚴涂層材料常見的種類非常多，其主要有金屬材料和非金屬材料復合組合在一塊。其成分是大多數是粉體材料為主的產品，有少量的品種一部分是棒材。金屬材料具有結構強度比較強、沖蝕性比較強，具有很好的可噴涂性性能。常見的有：鎳、銅、鉻、鋁等及其合金。非金屬材料的可磨耗性能比較強，有很好的自潤滑性能，常見的有：聚苯酯、石墨、硅藻土、膨潤土、六方氮化硼等。高溫封嚴涂層材料主要有兩種，一種是是以Ni基材料為骨架相制備的粉體材料，另一種是以氧化鋯等陶瓷基材料為骨架相的粉體材料，用其制備的可控制孔隙率的陶瓷基涂層，耐溫可達。

2 高溫封嚴涂層的研究與發展

國外封嚴涂層研究起步于上世紀五十年代，國內對高溫封嚴涂層的研究開始于上世紀70年代，到目前也取得了一些進展。成發技術中心支樹平等80年代與中國科學院化工冶金研究所聯合研發了可用于1 000℃工作環境下的鎳鉻鋁／硅藻土可磨涂層。

北京礦冶研究總院采用熱噴涂方法制備多孔MCrAlY高溫可磨耗封嚴涂層。其粉末制備方法為將合金粉與造孔劑進行混合造粒，再進行真空燒結，獲得冶金結合的多孔金屬粉末材料。使用該粉末制備涂層無需后處理即可直接獲得孔洞分布均勻且多為閉孔的封嚴涂層。鎳基涂層的優點是具有較好的抗氧化性，鈷基涂層的優點是耐熱疲勞性能較好，NiCoCrAlY涂層兼顧兩種涂層的性能優點，該涂層同時具有了很好的抗氧化性、耐熱腐蝕性和優良的機械功能[4-5]。

北京航空航天大學郭洪波等人發明了一種制備BaLn2Ti3+xO10+y高溫封嚴涂層的方法。在其涂層表面使用了層狀鈣鈦礦結構的陶瓷粉末，比如BaLn2Ti4O12、BaLn2Ti3O10、BaPr2Ti3O10、BaSm2Ti3.5O11等，制成的涂層是通過噴霧造粒和大氣等離子相互的噴涂[6]。

武漢理工大學程旭東等人是用氧化釔部分穩定的氧化鋯粉末為基相材料，填充材料是使用定量的h-BN、聚合物，進行噴霧造粒制成噴涂用團聚球形納米氧化鋯基復合粉，采用等離子噴涂工藝制得封嚴涂層。通用公司研制了一種高溫封嚴涂層，其成分包括金屬間化合物比如β-NiAl和適量聚苯酯，采用等離子噴涂方法來進行制作。該種涂層可以在溫度超過900℃的地方使用，使用壽命可達到24 000h[7]。

Sulzer Metco公司研制了一種高溫可磨耗封嚴涂層，其成分是在CoNiCrAlY粉末中添加適量聚苯酯和固體潤滑劑h-BN，使用等離子噴涂方法制備。該種涂層最高使用溫度可達850℃，已成功得到實際應用[8]。

加拿大R.S.Lima等人采用大氣等離子噴涂納米結構釔穩定氧化鋯封嚴涂層（Nanox S4007，Inframat公司），并將其與上述Sulzer Metco公司研制的CoNiCrAlY涂層比較，有較低的孔隙率和較高的硬度。在摩擦試驗臺實驗的結果中，有較低的密封磨損和體積磨損，但是葉片磨損很高，如表1所示[9]。

表1 磨擦-實驗臺實驗結果

Sulzer Metco公司研制了一系列陶瓷基封嚴涂層材料，在大氣等離子噴涂條件下制備的涂層具有很優的抗氧化性和耐腐蝕性。

3 新一代高溫封嚴涂層

可磨耗封嚴用多孔陶瓷涂層的熱噴涂粉末材料是以氧化鋯為基相材料，混合添加填充相制備的。再以這種粉末通過大氣等離子噴涂制備涂層。稀土材料作為氧化鋯穩定劑的研究較為深入。氧化釔穩定氧化鋯涂層以其優異的性能已經大量應用于熱障涂層以及國外的高溫封嚴涂層的使用上。氧化鐿、氧化鏑等穩定的氧化鋯系統的高溫封嚴涂層性能優于氧化釔穩定氧化鋯系統封嚴涂層。[10-11]。

新型高溫可磨耗封嚴涂層在滿足發動機高溫段氣路封嚴需求的同時，還可以有效解決新一代發動機部件中對高溫隔熱的需求。可磨耗封嚴用多孔陶瓷涂層具有耐高溫、耐腐蝕、和低熱導率等諸多優點，是近年來國內外封嚴涂層研究的重要方向，被一致認可為新一代高溫封嚴涂層。

[1]漆文凱，陳偉.某型航空發動機高壓渦輪葉尖間隙數值分析[J].南京航空航天大學學報，2003(1)：63-67.

[2]張曉波，楊瑞，李其漢.航空發動機渦輪徑向間隙設計方法研究[J].航空發動機，2004(2)：14-18.

[3]Scott B.Lattime，Bruce M.Steinetz.Tureine engine control systems: current practices and future directions.AIAA 202-3790，2002.

[4]于月光，任先京，等.一種熱噴涂用多孔MCrAlY合金粉末的制備方法.中國專利.201110100221.9.

[5]劉建明，陳美英，任先京，章德銘，劉笑笑，楊永琦.合金元素在MCrAlY涂層中的作用[J].熱噴涂技術，2010(4)：30-34.

[6]郭洪波.超高溫BaLn2Ti3+xO10+y封嚴涂層材料及其制備方法[P].中國，200710120616.2.

[7]Chupp R E，Ghasripoor f，Turnquist Norman A.Advanced seals for industuial turbine applications:dynamic seal development.Journal of propulsion and power，2002(18): 1260-1266.

[8]Sulzer Metco.Thermal spray materials guide.2006: AP-3.

[9]R.S.Lima，B.R.Marple，Dadouche，et al.納米結構封嚴涂層的高溫應用.熱噴涂技術，2006(9).

[10]程旭東，高忠寶，李其連，肖巍，閔捷.高溫封嚴涂層材料的基本性能研究與評價[J].表面技術，2008(4).

[11]戴赫，汪禮敏，張佳萍，王璐，楊中元，張景懷，林鋒.新型高溫隔熱可磨耗封嚴涂層研究及展望[J].材料導報，2008(7).