航空發(fā)動機(jī)葉片表面涂層氧化處理可行性研究

■ 韓國忠 陳海生/成都航利（集團(tuán)）實(shí)業(yè)有限公司

0 引言

為了提高某型航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片的抗腐蝕性與抗高溫氧化性,在維修過程中將高壓渦輪葉片表面的防護(hù)涂層更換為性能更好的AlSiY涂層。按照高壓渦輪葉片原涂覆的涂層修理工藝,涂覆了AlSiY涂層的高壓渦輪葉片先用水吹砂去除附著物再進(jìn)行氧化處理,目的是為了防止修理過程中汗?jié)n浸蝕對涂層造成二次損傷,以提高AlSiY涂層的抗氧化性和抗高溫氧化性。但是,葉片表面更換為AlSiY涂層,若在修理過程中增加氧化工序,修理周期將增加3天,還需增加較多的人力、物力成本。考慮到AlSiY涂層自身抗腐蝕性與抗高溫氧化性較好,且高壓渦輪葉片又是航空發(fā)動機(jī)修理過程中的關(guān)鍵路徑之一,因此,研究在修理過程中是否需要增加氧化工序是十分必要的,可為該葉片修理流程的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。

為此,開展了汗液和氧化工序?qū)Ω邏簻u輪葉片表面AlSiY涂層影響的試驗(yàn)研究[1],以確定氧化工序在葉片維修過程中的必要性,不僅有助于提高對AlSiY涂層的理論認(rèn)識,還可以完善高壓渦輪葉片涂覆AlSiY涂層的修理流程。

1 理論評估

該型航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪葉片表面新涂覆的AlSiY涂層與原有涂層中的元素濃度對比分析詳見表1。從中可以看出,原有涂層鉻含量高,涂層硬度較高；AlSiY涂層中外層、中間層、內(nèi)層的鋁含量均遠(yuǎn)高于原有涂層,因此AlSiY涂層較軟且具有較好的延展性,結(jié)合力強(qiáng),且鋁與鎳都是活潑金屬,在空氣中的自氧化性好,在大氣環(huán)境下可以很快在金屬表面形成一層氧化膜。從理論上分析,相對于原有涂層,AlSiY涂層存在不增加氧化工序的可行性。

2 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)方案

2.1 試樣準(zhǔn)備

準(zhǔn)備4片表面涂覆AlSiY涂層的高壓渦輪葉片,涂層使用壽命差異應(yīng)在±50h以內(nèi),涂層外觀質(zhì)量應(yīng)相差不大。對試樣葉片進(jìn)行清洗、吹干并編號1#至4#。將1#、2#試樣的葉身部分用線切割方法橫向分別切成寬度相同的4等份,并用油石或銼刀打磨切割邊緣毛刺,分別編號為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。將3#、4#試樣的葉身部分用線切割方法橫向分別切成寬度相同的4等份,并用油石或銼刀打磨切割邊緣毛刺,分別編號為M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8。

表1 兩種涂層中元素濃度分析對比結(jié)果

表2 試樣水吹砂、氧化試驗(yàn)方案

表3 試樣常溫及高溫抗腐蝕性實(shí)驗(yàn)方案

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試樣水吹砂后氧化工序?qū)ν庥^質(zhì)量的影響試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所示。試樣常溫及高溫抗腐蝕性實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 氧化工序?qū)λ瞪昂蟮脑嚇油庥^影響

按照試驗(yàn)方案,先對所有試樣（S1～S8和M1～M8）進(jìn)行水吹砂處理,然后對編號為3#、4#（M1～M8）的試樣按原有工藝進(jìn)行氧化處理,將氧化處理后的3#、4#（M1～M8）試樣與未經(jīng)氧化的1#、2#試樣（S1～S8）外觀進(jìn)行對比照相,如圖1所示。

從試樣實(shí)物外觀對比分析可以看出,氧化[2]后的試樣與水吹砂前的試樣外觀質(zhì)量變化不大,說明氧化工序?qū)λ瞪昂蟮脑嚇油庥^質(zhì)量影響不大。

3.2 試樣常溫及高溫抗腐蝕性實(shí)驗(yàn)情況

1） 按照試驗(yàn)方案,對水吹砂后未進(jìn)行氧化的S1～S7試樣進(jìn)行常溫和高溫抗腐蝕試驗(yàn),S8留作對比樣件。

從試樣外觀對比分析得到,水吹砂后未經(jīng)過氧化處理的試樣進(jìn)行模擬汗液浸漬后,經(jīng)過650～1150℃的高溫試驗(yàn),S1～S7試樣表面涂層略有正常的氧化變色,涂層表面無任何斑點(diǎn)、異常缺陷、局部脫落、起層、發(fā)綠等情況。可以看出,汗液對未經(jīng)過氧化處理的葉片表面AlSiY涂層外觀質(zhì)量未產(chǎn)生異常影響。

2） 按照試驗(yàn)方案,對水吹砂后未進(jìn)行氧化的M1～M7試樣進(jìn)行常溫和高溫抗腐蝕試驗(yàn),M8留作對比樣件。

從試樣外觀對比分析得到,水吹砂后經(jīng)過氧化處理的試樣進(jìn)行模擬汗液浸漬后,經(jīng)過650～1150℃的高溫試驗(yàn),M1～M7試樣表面涂層略有正常的氧化變色,涂層表面無任何斑點(diǎn)、異常缺陷、局部脫落、起層、發(fā)綠等情況。可以看出,汗液對經(jīng)過氧化處理的葉片表面AlSiY涂層外觀質(zhì)量未產(chǎn)生異常影響。

從試樣S1～S7和試樣M1～M7經(jīng)過常溫及高溫抗腐蝕性試驗(yàn)后的照片對比來看,未經(jīng)過氧化處理的S1～S7試樣與經(jīng)過氧化處理的M1～M7試樣,汗液浸漬、高溫試驗(yàn)后的外觀質(zhì)量基本一致,涂層表面無任何黑斑、發(fā)綠、脫落、起層等情況。因此可以確定,氧化處理對于葉片表面的AlSiY涂層的外觀質(zhì)量影響不大。

表4 S1～S7試樣抗腐蝕失重試驗(yàn)

表5 M1～M7試樣抗腐蝕失重試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)前后的失重對比情況

S1～S7試樣模擬汗液浸蝕前、高溫模擬試車試驗(yàn)后的試樣失重情況對比情況如表4所示。M1～M7試樣模擬汗液浸蝕前、高溫模擬試車試驗(yàn)后的試樣失重情況對比如表5所示。

從氧化工序?qū)ν繉拥目寡趸苑矫鎭矸治?對S1～S7試樣和M1～M7試樣的常溫抗氧化試驗(yàn)前后的失重情況進(jìn)行對比,未經(jīng)過氧化處理的S1～S7試樣與經(jīng)過氧化處理的M1～M7試樣的失重相差0.001g,汗液浸漬、高溫試驗(yàn)前后的失重基本一致。因此可以看出,增加氧化處理不會增加葉片表面AlSiY涂層的抗氧化性,可以取消氧化處理工序。

4 實(shí)際使用情況分析

在高壓渦輪葉片新涂覆AlSiY涂層制備過程中,根據(jù)工藝要求涂覆AlSiY涂層后進(jìn)行水吹砂處理,但不進(jìn)行氧化處理,檢驗(yàn)合格的葉片直接裝機(jī)使用。經(jīng)過統(tǒng)計(jì),前期新涂覆AlSiY涂層的高壓渦輪葉片超過10000片,且都已裝機(jī)使用,在使用過程中從未發(fā)現(xiàn)涂層出現(xiàn)黑斑、發(fā)綠、起皮、掉塊等故障,同時(shí)驗(yàn)證了涂覆AlSiY涂層的葉片不進(jìn)行氧化處理工序也不會對涂層及葉片本身的使用造成影響。因此,涂覆AlSiY涂層的高壓渦輪葉片在修理過程中不進(jìn)行氧化處理是可行的。

[1] 霍曉, 張建蘇, 王蓓蕾, 吳鳳筠,韓雅芳.NiCrAlYSi包覆型涂層發(fā)動機(jī)試車“黑斑”的分析[J].材料工程,1999（4）.

[2] 吳蔭順,方智.腐蝕試驗(yàn)方法與腐蝕檢測技術(shù)（第一版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1996.

[3] 徐明德,劉穎.金屬腐蝕與防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)手冊[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社,1996.