航空發動機對表面工程技術的需求

梁偉，何愛杰，王標

航空發動機對表面工程技術的需求

梁偉，何愛杰，王標

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

概述了表面工程技術在航空發動機技術進步，尤其是在提高航空發動機效率、使用壽命和可靠性，改善經濟性等方面中的重要作用；對比分析了國內外航空發動機表面工程技術水平間的差距，并對國內的技術現狀和問題進行了歸納，著重指出了制約表面工程技術在國內航空發動機領域工程應用的關鍵因素；最后結合國內航空發動機研制和未來發展需要，從設計角度提出了表面工程關鍵技術需求及發展建議。

航空發動機；表面工程；工程應用；設計需求

1 引言

航空發動機由于其開放式結構(與外界進行工質交換)，工況和服役環境復雜多樣，加之本身的高溫、高壓和高轉速，使得發動機零部件除承受氣動力、慣性力和熱應力外，其表面還要承受摩擦、介質腐蝕、外物沖刷等。因此，發動機零部件的使用可靠性和壽命，除與設計、材料力學性能和制造密切相關外，很大程度上也取決于材料的物理、化學性能，如抗高溫氧化、耐腐蝕性能、電磁性能等。而材料的抗氧化、耐腐蝕性能，往往是在特定試驗參數和單一介質條件下的測試結果，與工程實際差距較大。發動機零部件在外部復雜環境下工作，承受多種腐蝕介質的作用，再加上自身性能的欠缺，常導致零件表面在壽命期內失效。

表面工程技術是通過某種工藝手段，賦予表面不同于基體材料的性能以滿足某種特定的功能需求，與提高材料自身性能的技術途徑相比，具有難度小、快捷、成本低、可修復等特點。零部件采用表面工程措施的費用，一般僅占產品價格的5%～10%，卻能大幅提高產品的性能、延長其使用壽命，平均效益高達5～20倍。因此，表面工程技術是解決表面失效最經濟、最行之有效的手段，在航空發動機行業得到了廣泛應用[1]。

文獻[2]指出：不帶涂層的航空發動機渦輪葉片，若在商業飛機發動機上使用，可工作12 000 h，不會因高溫氧化或熱腐蝕而退化損傷；若在反潛飛機發動機上使用，熱腐蝕可使葉片壽命縮短90%，僅為1 200 h；若在東南亞飛行的直升機發動機上使用，僅能工作800 h；若在海上石油鉆井平臺上的直升機發動機上使用，壽命僅300 h。由此可見，不同的工作環境對發動機零部件的壽命和使用成本影響很大，為保證發動機的安全可靠，改善其經濟性，必須采取有效的表面防護措施。

美國實施的IHPTET、VAATE等航空動力預研計劃，均把發動機經濟可承受性和性能提高置于同等重要的地位。目前，國外航空發動機發展已歷經了四代，除性能水平大幅度提高外，其壽命和可靠性也大大增加，尤其是民用航空發動機的壽命目前最長已超過40 000 h[3]，表面工程技術功不可沒。

2 國內航空發動機表面工程技術現狀和存在的問題

我國雖通過引進、測仿國外發動機掌握了相應配套的表面工程技術，并已應用于在研在役各型發動機，取得了一定的技術經濟效益，但由于缺少自主研究，技術儲備不足，與世界先進水平的差距較大，適用于新結構、新材料、新工藝的新型表面工程技術基礎薄弱，難以滿足新機研制和可持續性發展的要求。存在的問題主要有：

(1)通用性差。目前國內表面工程技術所涉及的標準和規范，或為型號專用規范，適用范圍受限，擴大使用需開展相關研究；或為指導性文件，僅作一些常識性規定，可操作性不強。

(2)技術落后。目前采用的表面工程技術，往往是國外三代機甚至二代機的技術，創新性表面工程技術研究滯后，難以滿足國內新機研制需求。

(3)完整性差。尚未形成航空發動機表面工程技術體系和建成能在工程條件下使用的數據庫，設計部門難以選用。

(4)測試標準缺失或與工程實際差異太大，難以定量評估表面工程技術工程實際的使用性能。

(5)考核驗證缺少權威的評估體系和評判標準，阻礙表面工程新技術的工程應用。

(6)銜接性差?；A研究與應用研究脫節，且新型表面工程技術工藝適應性差、成本高，制約其工程化應用。

3 國內航空發動機對表面工程技術的需求

隨著航空發動機性能和經濟性指標的不斷提高，對發動機整機和零部件的可靠性和壽命要求越來越苛刻，發動機研制面臨低成本和高性能的矛盾，對表面工程技術的需求也越來越迫切。下面結合國內發動機研制，分析國內航空發動機對表面工程技術的需求。

3.1表面改性技術

(1)葉片表面激光沖擊強化處理技術。

發動機風扇和壓氣機前幾級葉片多采用鈦合金材料，其工作環境惡劣，難以避免砂石、灰塵、飛鳥等外物的吸入，及由此造成的沖刷、撞擊等，破壞了葉片的表面完整性，在表面產生過載斷裂和疲勞失效，縮短了葉片的使用壽命。傳統的表面強化工藝(如噴丸)，已無法滿足航空發動機——特別是大涵道比渦扇發動機風扇/壓氣機葉片使用壽命越來越長的壽命需求。激光沖擊處理技術，較傳統的噴丸處理可獲得更深的殘余應力層和更好的表面質量，大大提高了材料的疲勞壽命和抗外物損傷能力。目前，美國已將激光沖擊強化技術，大量應用于各型軍用飛機發動機壓氣機葉片和整體葉輪的表面強化，取得了良好的技術經濟效益[4]。國內發動機葉片和渦輪盤仍使用機械噴丸的傳統表面強化方式，對激光沖擊表面強化處理技術尚處于理論研究和應用摸索階段，急需加強。

(2)鈦合金整體葉盤表面磨粒流光飾技術。

鈦合金葉盤表面粗糙度相差一個數量級，往往意味著疲勞壽命相差數倍甚至更高。表面磨粒流光飾技術，除了能解決傳統手工拋磨工期長、加工質量不穩定、磨削程度不均勻及對可達性差的部位難以進行拋磨等問題外，還能將原有的表面殘余拉應力轉化為壓應力，進一步提高零件的疲勞壽命。

(3)鈦合金整體葉盤線性摩擦焊、電子束焊焊接接頭激光沖擊強化技術。

目前，國內整體葉盤采用均質鍛件整體毛坯數控加工，周期長、成本高，一旦局部損壞就造成整個葉盤報廢，難以工程化應用，因此急需發展高效、低成本整體葉盤制造和修復技術。焊接式整體葉盤和轉子在國外發動機上應用日益廣泛，線性摩擦焊技術是國外高效、低成本整體葉盤制造和修復技術的主流，在國內也屬研究熱點，盤鼓間電子束焊接整體轉子在國內已較為成熟。但這類焊接結構的焊縫屬薄弱部位，必須采用強化技術提高壽命和可靠性，降低使用成本。

(4)基于離子束表面強化的鈦合金摩擦副表面改性技術。

鈦合金大量應用于風扇和壓氣機的軸頸、鼓筒等轉子件，這些零件在承載的同時其局部往往承受著摩擦力、起摩擦副的作用。傳統的涂層防護技術，涂層與基體界面層明顯，涂層易剝落，防護效果較差，使用壽命較短，難以滿足鈦合金摩擦副對表面完整性的特殊要求，對鈦合金構件性能產生不利影響。與涂層防護技術相比，表面改性技術有明顯優勢，滲層深度和合金層內成分可控，滲入元素含量隨深度呈梯度分布，表面合金層與基體無明顯界面，結合牢固，無微裂紋，可顯著提高防護層質量和壽命。該技術也適用于高溫合金、不銹鋼摩擦副構件的表面改性。

(5)鈦合金機匣內壁防鈦火阻燃鈦合金表面層離子注入技術。

3.2涂層技術

涂層有耐磨涂層、封嚴涂層、高溫防護涂層和防鈦火涂層等。涂層可賦予基體材料表層新的使用性能，延長零部件壽命，改善發動機性能，從而降低發動機全壽命期使用成本。

(1)耐磨涂層及涂敷技術。

航空發動機零件的磨損形式，包括磨料磨損、粘著磨損、疲勞磨損、微動磨損、沖蝕磨損等幾種。除靠改善潤滑來降低磨損程度、通過表面改性提高耐磨性外，在沒有潤滑或不能潤滑及表面改性不適用的部位，應用耐磨涂層可有效防止發動機零部件因磨損導致的使用壽命降低和構件失效。如鈦合金工作葉片榫頭與輪盤榫槽，在工作過程中由于氣動力、慣性力作用會產生微動磨損和粘接，直至失效，降低使用可靠性和壽命，防微動磨損涂層及涂覆技術可有效防止上述狀況發生。

(2)封嚴涂層及涂敷技術。

采用封嚴涂層，是航空發動機有效提高氣路封嚴系統密封性的重要措施。封嚴涂層分為可磨耗涂層(用于靜子件)和主動磨削涂層(用于轉子件)兩類，一般涂敷于轉子軸、鼓筒、機匣、葉片葉尖、壓氣機和渦輪各級之間的封嚴裝置表面，以控制間隙、減少泄漏損失。

(3)高溫防護涂層技術。

自媒體又稱“個人媒體”或“公民媒體”，是普通大眾以現代化和電子化的手段，傳遞規范性及非規范性信息，提供與分享他們自身的事實、新聞的途徑。本研究通過微信和新浪微博等自媒體平臺，在搜索欄輸入“黃山民宿”，剔除純圖片，純營銷，純介紹性文字，得到最終有效游記和評價共198條。

航空發動機熱端零部件需解決抗高溫氧化、抗腐蝕問題，除選擇好零部件自身材料外，應考慮對其表面采取防護措施。航空發動機提高推重比的重要手段之一是提高渦輪前溫度，但現有結構材料(高溫合金)和冷卻技術難以滿足渦輪葉片耐高溫需求，必須采用熱障涂層降低葉片基體的工作溫度。國外研究表明，在高壓渦輪葉片表面涂上低導熱系數熱障涂層，可使渦輪進口溫度至少提高110℃，延長渦輪葉片使用壽命。若其它條件不變，厚200 μm的熱障涂層可使基體金屬溫度降低50℃，渦輪轉子葉片前緣蠕變疲勞壽命延長3倍以上，冷氣量減少15%，耗油率降低0.4%，還可簡化冷卻結構設計，降低制造成本[5]。

高溫防護涂層技術是現代航空發動機制造的關鍵技術之一，對長壽命的大涵道比發動機制造具有重大意義。

(4)防鈦火涂層及涂覆技術。

航空發動機大量使用鈦合金，在減輕結構重量和提高性能的同時，也會帶來鈦火風險，危及飛行安全。防鈦火涂層是防鈦火經濟、有效的解決措施之一，主要包括壓氣機鈦合金轉子葉片葉尖、鼓筒防鈦火硬質封嚴涂層，及壓氣機鈦合金機匣防鈦火可磨耗封嚴涂層兩個體系。

國外防鈦火涂層技術研究已取得重要成果，且已工程化應用于軍民用航空發動機。如EJ200壓氣機機匣內壁涂覆氧化鋯＋易磨封嚴涂層，轉子葉片葉尖增加立方氮化硼涂層，鼓筒增加耐磨涂層；CFM56發動機壓氣機機匣內壁設計了防鈦火襯套＋易磨封嚴涂層等，取得了良好的技術經濟效益[6，7]。

(5)鈦合金葉片表面抗沖刷、耐腐蝕涂層及涂覆技術。

在惡劣環境下工作，風扇葉片要承受外物沖刷和腐蝕的雙重作用，對其使用壽命和可靠性產生不利影響。風扇葉片材料多為鈦合金，耐應力腐蝕能力差，對表面完整性更為敏感。表面抗沖刷、耐腐蝕涂層可有效阻隔外物的沖刷和應力腐蝕作用，提高葉片的可靠性和使用壽命，是先進航空發動機尤其是民用航空發動機必需的表面涂層技術。

(6)尺寸修復涂層及涂敷技術。

發動機零件加工中常由于誤操作造成局部尺寸超差，若報廢不僅造成經濟損失，且影響研制進度。尺寸修復涂層具有效費比高、適應性強、快捷高效的特點，在非關重件的轉靜子件尺寸修復方面有良好的應用前景。

(7)異種金屬接觸防電化學腐蝕涂鍍層、薄膜技術。

發動機異種金屬連接組件較多，若直接接觸會因電位腐蝕導致零部件失效，迫切需求可有效防止金屬接觸電化學腐蝕的涂鍍層、薄膜技術。未來新材料的應用，在很大程度上取決于是否有配套的防電化學腐蝕的涂鍍層、薄膜技術。

3.3表面工程技術需解決的共性技術問題

(1)表面工程技術使用性能的表征及測試技術。

(2)表面工程技術對基材組織性能及零件表面完整性的影響。

(3)表面工程技術后續處理(殘余應力消除、組織性能改善)及評估技術。

(4)表面工程技術與零件加工工藝的匹配。

(5)表面工程技術的經濟性、通用性及可維修性。(6)表面工程技術質量無損檢測及評估技術。(7)采用表面工程技術的構件的結構強度設計技術。

(8)采用表面工程技術的構件的試驗驗證及評估技術。

4 對我國航空發動機表面工程技術發展的幾點建議

(1)在滿足使用要求的前提下，始終把低成本、高效率作為衡量表面工程技術先進與否的一個重要指標。

(2)以型號需求為背景，盡早開展相關新型表面工程技術的預研。

(3)以具體構件為應用平臺，及時開展相關新型表面工程技術的工程化應用研究，注重與設計-制造-試驗相結合的集成驗證。

(4)加強測試、試驗驗證等配套技術的研究和設備建設。

(5)注重表面工程技術體系的建立和完善。

(6)制定科學的產學研結合科研體制，推進表面工程技術的工程應用。

[1]徐濱士.神奇的表面工程[M].北京：清華大學出版社，2000.

[2]李金桂，肖定全.現代表面工程手冊[M].北京：國防工業出版社，2000.

[3]劉大響，金捷，彭友梅，等.大型飛機發動機的發展現狀和關鍵技術分析[J].航空動力學報，2008，23(6)：976—980.

[4]鄭啟光.激光先進制造技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

[5]陳林.航空發動機葉片用熱障涂層的現狀[J].航空制造工程，1997，15(6)：9—12.

[6]霍武軍，孫護國.航空發動機鈦火故障及防護技術[M].北京：航空科學技術出版社，2002.

[7]陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃氣渦輪發動機結構[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

Requirement of Surface Engineering Technology on Aero-Engine

LIANG Wei，HE Ai-jie，WANG Biao
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The great effects of surface engineering technology on engine′s efficiency,life,reliability and cost were summarized.It also analyzed the technical gap between China and foreign countries,introduced the research status and existing problems of surface engineering technology and pointed out the key factors to restrict engineering application.At last,opinions on the requirement and development of surface engi?neering technology were presented according to the aero-engine research and development in China.

aero-engine；surface engineering；engineering application；design requirement

V261

A

1672-2620(2013)03-0059-04

2012-07-17；

2013-03-20

梁偉(1968－)，男，陜西西安人，高級工程師，主要從事航空發動機材料研究。