航空發動機上應用的先進防護涂層

劉 敏

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司數據中心情報信息處，遼寧 沈陽 110043）

航空發動機上應用的先進防護涂層

劉 敏

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司數據中心情報信息處，遼寧 沈陽 110043）

本文主要介紹了包埋滲透法、非接觸式滲、和化學氣相沉積（CVD）等幾種鋁化物擴散涂層的沉積方法，并闡述了制備耐熱涂層和耐侵蝕、腐蝕涂層的主要工藝特點。

包埋滲透法；非接觸式滲；化學氣相沉積；耐熱涂層

1.簡介

現代發動機在結構和技術上的進步引領了新型涂層的發展并對以前應用的涂層進行了改良。發動機的前半部分即冷卻端，包括風扇和壓氣機，典型應用耐磨蝕涂層和密封涂層。就現代發動機來說，像風扇葉片、壓氣機葉片和葉輪等這種冷卻端零部件，都是由復合材料、鈦鋁合金、鈦和耐熱鋼制造而成。但在發動機的受熱端，包括燃燒室區域和渦輪部分，應用的是熱障涂層（TBCs）和高溫密封涂層。本論文的目的是展示作者本人在鋁化物擴散涂層、熱障涂層和耐侵蝕、腐蝕涂層方面的研究。

2.鋁化物擴散涂層沉積方法

要增強渦輪零部件尤其是動、靜葉片和燃燒室的耐久性和提高服役溫度，可以通過應用防護涂層來實現。高溫合金零部件對各種涂層的需求導致涂層在30多年來的應用中迅猛發展。涂層的演變同時還伴隨著結構材料的發展。現如今，工程師和制造師有多種涂層沉積技術可供使用，能制備出黏結、擴散和粘擴散涂層，其中大多數都是由通用技術發展改進的，例如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）或熱噴涂技術。

2.1包埋滲法

擴散涂層主要在擴散滲鋁過程中，或在滲透復合物Al-Cr、Al-Si、Pt-Al、Ti-Al過程中沉積而成。在粉末滲透過程中，將待涂鍍零件置于特定容器內，然后用專用的粉末混合劑將零件包埋，該混合劑含有像Al2O3、鋁化物粉末或合金以及化學活化劑等中性添加物。接下來將容器密封好置于爐內，化學活化劑在700℃～1050℃的限定工藝溫度范圍內會產生輸送蒸汽源。擴散滲鋁工藝以這種方式通常持續工作長達20個小時，并要嚴格控制以防止粉末混合劑氧化。要獲得不同厚度或Al濃度的涂層可采用多種類粉末工藝。所說的多種類粉末可以分為高度、中度和低度活化粉末。在鋁化物涂層沉積過程中，在高溫約1050℃下生成低鋁含量NiAl相（低活性過程），而在700℃下則生成高鋁含量NiAl相（高活性過程）。

2.2非接觸式滲

非接觸式滲是將待滲零件置于容器內，避免其與粉末混合劑相接觸，該混合劑通常呈顆粒狀。此工藝過程是在甑式爐或真空爐內完成的。在整個涂層沉積過程中需向容器內供應額外的中性運載氣體，以輸送出沉積涂層時產生的混合氣體。現有幾種不同的非接觸式滲透法正在被應用，包括負壓滲透工藝、由SNECMA研發的脈沖氣相滲鋁工藝以及用兩種不同化學成分的混合物進行的滲透工藝似乎最具吸引力。該方法的主要益處如下：無需待滲材料與粉末接觸，這一點能顯著提高涂層的表面質量；可對整個工藝過程實施更多的控制；工藝過程更加整潔（與粉末工藝相比）；以及鋁化物涂層可以通過添加元素進行改良以提高其耐熱性能。圖1所示為鉑改良鋁化物涂層的顯微結構，該結構是在鍍鉑和鍍鋁過程中獲取的。

鉑改良鋁化物涂層能提高耐熱性能，已在1100℃下1小時循環的試驗室抗氧化循環試驗中得以證實。

2.3CVD滲鋁技術

化學氣相沉積技術由上述鋁化物擴散涂層沉積技術演變而來。化學氣相沉積過程中將渦輪葉片置于甄內，并向甄內供應在外部反應器內生成的AlCl3+H2氣體。AlCl3氣體是在含有鋁化物的受熱生成器內與HCI發生反應后形成的。然后預熱AlCl3+H2，在溫度約達1000℃時供應到甄內。裝有氣體的化學氣相沉積甄通常在鐘罩式爐、均熱爐或升降式爐內加熱到工作溫度。存留在甄內的反應氣體用特殊氣體中和系統進行處理。滲鋁法能同時涂覆渦輪葉片的內外表面，尤其是冷卻通道，該區域用其他涂覆方法就比較難處理。除此之外，應用該工藝還可以調節冷卻率，這對幾種鑄造高溫合金熱工作參數的計算至關重要。

3.熱障涂層制備工藝

由于燃燒室零部件和動靜葉片上采用熱障涂層，所以進口溫度可以有所增加。與涂有陶瓷涂層的材料表面溫度相比，采用熱障涂層能使所應用的高溫合金表面溫度降低170℃左右。此外，熱障涂層能降低必需的冷卻空氣量，同時能保持恒定的排氣溫度，而且能顯著提高零部件的耐久性和抗熱變能力。

熱障涂層是由含有ZrO2xY2O3的陶瓷面層和含有MCrAlY（M=Ni，Co，Fe）的黏結層構成的。較低的導熱性再結合陶瓷材料的特性能降低黏結層之上的層間溫度，這就能使熱障涂層的抗氧化性和抗高溫腐蝕性有所提高。

最通用的熱障涂層制備技術有APS（空氣等離子噴涂）、LPPS（低壓等離子噴涂）或EB-PVD（電子束物理氣相沉積）。熱噴涂技術通常用來制備燃燒室零部件及靜葉片上應用的TBCs（熱障涂層），而動葉片上應用的熱障涂層一般采用EB-PVD技術制備。

用空氣等離子噴涂技術和EB-PVD技術制備的TBCs在結構和性能上各有不同。等離子噴涂的涂層顯示為帶狀結構，而EBPVD制備的涂層以柱狀結構為特征。等離子噴涂的熱障涂層易受熱應力影響，有大量的微裂紋產生和生長從而導致出現裂解現象，這也有可能致使涂層完全剝落。眾所周知，在陶瓷層與MCrAlY層之間形成的TGO（熱生長氧化物）層對熱障涂層的耐久性有很大的影響。TGO層對熱障涂層性能的影響，尤其是對結構和厚度的影響，成為當前研究的主要課題。

采用EB-PVD技術制備出的熱障涂層結構在實際應用中顯示出更強的抗熱應力能力。不僅僅是因為在沉積過程中形成的有特點的柱狀結構在熱循環期間起到較好的應力補償作用，還有這種結構能防止涂層基底出現裂紋。

4.耐侵蝕、腐蝕涂層制備工藝

應用防護涂層可以防止航空發動機零部件遭受腐蝕損傷。發展PVD技術目的在于提高涂層的性能并擴展其應用范圍。由目前研發的PVD技術獲得的涂層成為航空發動機壓氣機葉片最具吸引力的涂層制備技術之一。用于這種特殊結構件的防護涂層必須符合多方面要求，既包括機械性能的還包括耐腐蝕和耐磨損方面的。

Arc-PVD屬于PVD技術的一種，制備出的防護涂層種類廣泛，當然也包括多層涂層。該技術以高的電離度和相對高的沉積能力為特征。Arc-PVD的主要優勢在于制備出的涂層不僅非常堅固耐磨，而且耐腐蝕性極強。

由PVD技術制備的涂層中，氮化鉻涂層較其它氮化物涂層的耐腐蝕性相對更高一些，原因在于該涂層結構精細密實且密度高。可以通過應用鉻或鋁夾層來提高氮化鉻涂層的密度，其密度的高低在很大程度上決定了涂層的耐腐蝕性能。

Arc-PVD技術制備的鉻涂層對鋼基合金的粘結性最強，高達80N，另外，它能對之后的Cr/CrN多層涂層中較硬的氮化鉻層提供完美的粘結效果。除此之外，也一直在嘗試制備鋁粘結層和Al/ AlN多層涂層。

鋁基涂層是最具發展前景的陰極保護涂層。通過磁控管濺射獲得的涂層顯示出良好的耐腐蝕性，但是這種涂層的摩擦性能卻很差。采用PVD技術制備出的涂層具有較強的耐腐蝕性當然是最合理也是最可取的，尤其是在自動化和飛機制造業領域。沉積到鋼質材料上的Al、AlMg、Cr、Cr/CrN和Cr/CrN/Al涂層有望取代主要以電沉積工藝制備的鎘涂層。

Arc-PVD制備的多層涂層由氮化鉻組成且包含鉻夾層，其具有很高的耐腐蝕性。這種涂層也被公認為靈敏涂層，因為它們的結構能根據作業條件決定磨損強度。經證實葉片進氣邊上相對軟的鉻涂層很少遭受損傷，而排氣邊上的氮化物硬化層能提供有效的防腐蝕保護。

結論

提高發動機效率和可靠性可以通過應用防護涂層得以實現。防護涂層系統的發展新趨勢很可能包括制備多層涂層、梯度涂層和改良涂層，它們在性能上要超過目前已有的涂層。采用CVD技術制備耐熱擴散涂層、噴涂熱障涂層來調節比迄今為止所能達到的還要高的溫度以及將EB-PVD技術應用于旋轉葉片，這些就是本文作者的當前研究課題。

［1］李民，程玉賢.航空發動機用高溫防護涂層研究進展［J］.中國表面工程，2012，25（1）：16-21.

TG174

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