熱噴涂材料和技術在航空發動機中的應用

朱警雷

【摘 要】熱噴涂技術是先進航空發動機的核心技術之一。熱噴涂材料和技術應用表現在航空發動機關鍵零部件的耐磨、高溫防護、隔熱、封嚴以及鈦合金零件的防微動磨損、阻燃等方面[1]，在提高發動機材料性能方面起到了重要作用。本文介紹了先進熱噴涂材料和技術在航空發動機零部件上應用的目的、種類、特點及優異性能，闡述了在航空發動機應用中存在的問題和發展趨勢。

【關鍵詞】熱噴涂材料 航空發動機 應用

1 應用

航空發動機應用的熱噴涂材料主要包括抗磨損涂層材料、間隙封嚴涂層材料、熱障涂層材料和其它功能性涂層材料[2]；熱噴涂工藝方法主要有等離子噴涂、火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂和激光噴涂等。在一臺航空發動機上有上千個零部件的大約3000多處零件表面需采用熱噴涂涂層。

1.1 耐磨涂層

隨著航空發動機性能的不斷提高，發動機零部件工作條件更加苛刻，例如溫度高（高壓渦輪前最高溫度已超過1500℃）、轉速高（渦輪轉速約20000rpm）、負荷高；同時零部件受到粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損等不同類型的磨損，都會降低發動機性能、縮短發動機使用壽命。熱噴涂技術因其取材范圍廣、基體溫度較低、變形小、涂層厚度容易控制等優點被普遍的用于噴涂航空發動機上的耐磨涂層，幾種常用耐磨涂層詳見表1。

1.2 封嚴涂層

航空燃氣渦輪發動機都有比較完整的氣路封嚴系統，系統由介于軸、鼓筒、轉子葉片葉尖、壓氣機和渦輪等各級之間的40-60處封嚴裝置組成。氣路封嚴裝置的好壞直接影響發動機的推力和效率。典型發動機高壓渦輪葉尖間隙減少0.254 mm，渦輪效率就可提高約1%。渦輪徑向間隙增加0.127 mm，耗油率約增大0.5%。壓氣機徑向間隙增加0.076 mm，耗油率約增大1%。采用熱噴涂技術制備一個既能減少間隙又能緩沖干涉摩擦的封嚴圈，成為封嚴圈制造的最理想選擇[2]。用于間隙控制的熱噴涂封嚴涂層分為兩大類，即可磨耗涂層和主動磨削涂層[2]。國內外大量發動機都采用不同的可磨耗涂層來保證封嚴質量從而控制間隙。英國羅· 羅公司RB211-535C發動機高壓渦輪前軸承擋圈，中壓渦輪軸承定位環，空氣封嚴環，滑動封嚴環噴涂鋁硅/石墨涂層，中壓壓氣機靜子封嚴圈噴涂鋁硅/聚醋涂層等。美國發動機TF39風扇葉片的燕尾等離子噴涂Cu-Ni-In涂層防止擦傷，這些均屬于可磨耗封嚴涂層。主動磨削涂層主要是噴涂在轉子組件和靜止件配合部位上的硬質涂層。主要是等離子噴涂的Al2O3和TiO2陶瓷涂層。這類陶瓷涂層硬度高、高溫性能好，且導熱系數低，不會使薄壁轉子因摩擦熱而產生變形。美國GE公司LM2500發動機低壓渦輪轉子二、三、六級封嚴圈上均噴涂Al2O3涂層。

1.3 熱障涂層

熱障涂層廣泛應用于發動機的燃燒室、加力燃燒室、渦輪部件及熱燃氣通道等承受熱應力、熱腐蝕的熱端部件上。TBCs可以提高材料等級，延長材料的使用壽命或降低零件的冷卻氣流要求。

2 新型熱噴涂材料和技術的應用

新型熱噴涂工藝技術在航空發動機的應用領域不斷地涌現，相繼出現了爆炸噴涂、高速活性燃氣火焰噴涂、高速電弧噴涂、活性電弧噴涂、高速等離子噴涂、三陰極內送粉等離子噴涂、溶液等離子噴涂、冷氣動力噴涂、反應等離子噴涂等新技術[4]。多種復合工藝技術已聯合使用，形成高性能梯度功能材料涂層[3]。

3 存在問題和發展趨勢

盡管熱噴涂材料和技術在航空發動機零部件制造中得到了廣泛應用并取得了巨大效益，但是熱噴涂材料和技術尚有較多待解決的問題，應該著重熱噴涂涂層材料和涂層設計、工藝方法、應用基礎理論研究等工作。

3.1 熱噴涂材料及涂層設計

目前大多數涂層設計基本停留在經驗設計階段，缺乏較為完善的熱噴涂涂層設計體系及所需的大型涂層數據庫。首先需建立一個包含涂層材料成分、涂層性能與服役性能的關系、工況條件及其變化對涂層性能的要求、工藝方法及其相關工藝參數、工藝設備參數等數據的數據庫；然后通過評估現有理論和經驗公式的成熟性，并采用數學建模方法來利用計算機技術，逐步建立和完善涂層設計體系。

3.2 熱噴涂工藝方法

隨著涂層質量要求的提高以及自動控制技術的發展，在熱噴涂技術中實現自動化和智能化已成為必然的趨勢[5]。目前國外已經基本建立了熱噴涂材料和相應噴涂工藝參數數據庫，實現計算機在線重現和存儲。國內基本上還處于工藝性階段，涂層質量主要依靠經驗和嚴格的規程來保證。由于表面工程的飛速發展，熱噴涂技術與其它學科相互交叉滲透形成了新的表面處理工藝-復合表面工程技術。例如熱噴涂與熱處理工藝的復合，出現了爐內燒結重熔和高頻感應重熔涂滲等工藝；與電鍍或電刷鍍工藝的結合產生了鍍涂工藝和涂鍍工藝；與鑄造工藝復合出現了燒結噴熔和電火花燒結工藝等；與高能束表面處理技術復合出現了激光重溶和電子束重熔等。

3.3 應用基礎理論研究

熱噴涂技術是一個受高溫、高速、非均勻性等多參數影響的動態過程，影響因素復雜。針對這種情況，各國十分重視熱噴涂技術的理論研究。目前，對熱噴涂技術的研究正從試驗性工藝技術向著有堅實理論基礎的工藝發展。

4 結語

熱噴涂材料和技術在國內航空動力的應用與國外先進技術相比有一定的差距。但是國內航空發動機制造工程重視程度的增加，熱噴涂材料和技術必將在國內航空動力上發揮更重要的作用。

參考文獻：

[1] 王璐.熱噴涂技術在先進航空發動機上的應用及前景展位[J].有色金屬（冶煉部分），2008.

[2] 付俊波，周世魁.熱噴涂技術在航空發動機零部件及其維修中的應用[J].失效分析與預防，2006（5）：61-64.

[3] 賴師墨.控制航空發動機運轉間隙的熱噴涂封嚴涂層[J].航空工藝技術，1995（3）：53.

[4] 徐濱士.材料的應用與發展[J].材料工程，2001（12）：11-13.

[5] 趙力東.Erich L.熱噴涂技術的新發展[J].中國表面工程，2002：5-8.