熱噴涂航空發(fā)動機(jī)用耐磨涂層的制備方法及性能研究

舒 琴，何建洪，韓建興，丁 晉，黎金城，熊 勇

（中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司，貴州 貴陽 550014）

航空發(fā)動機(jī)零件的要求較高，除了使用的材料本身應(yīng)具備高強(qiáng)度、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)異性能外，還需要對零件表面進(jìn)行特殊處理，如鍍層處理、滲層處理、噴涂高溫涂層處理、封嚴(yán)處理、耐磨處理等技術(shù)。熱噴涂技術(shù)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用歷史由來已久，尤其是在零件表面噴涂耐磨涂層，可提高零件的耐磨性，保護(hù)基體材料不被磨損，延長零件的使用壽命，提高發(fā)動機(jī)的整體性能。

熱噴涂技術(shù)發(fā)展至今，制備不同種類涂層的方法有一般火焰噴涂、等離子噴涂、電弧噴涂、超音速火焰噴涂、冷噴涂，等離子噴涂的應(yīng)用范圍最廣[1]。對于耐磨涂層的制備主要采用等離子噴涂和超音速火焰噴涂，兩種方法因噴涂過程不同，形成的涂層性能有一定的差異，各自在熱噴涂行業(yè)有著不可或缺的地位。發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇軸、跑道、封嚴(yán)裝置類零件，采用噴涂耐磨涂層的方式提高零件的耐磨損性能，延長使用壽命。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法說明

文中所述涂層采用等離子噴涂設(shè)備Multicoat和超音速火焰噴涂設(shè)備JP8000制備，涂層沉積在試樣表面，經(jīng)萊卡金相顯微鏡、拉伸試驗(yàn)機(jī)檢測涂層的顯微組織、結(jié)合強(qiáng)度，掃描電鏡和XRD分析鈷/碳化物涂層的元素分布。

2 耐磨涂層分類

發(fā)動機(jī)不同部位的零件使用的耐磨涂層類型不同，按照使用性能表現(xiàn)可分為耐撞擊磨損涂層和耐粘著磨損涂層[2]。

2.1 耐撞擊磨損涂層及其制備工藝

耐撞擊磨損是指兩個(gè)活動的接觸面在預(yù)設(shè)運(yùn)動中，因高頻振動產(chǎn)生的摩擦磨損。磨損部位一般處于高負(fù)載、小面積、大壓力的高頻振動條件下，同時(shí)兩個(gè)接觸面間還附帶會產(chǎn)生相對移動，磨損的結(jié)果導(dǎo)致金屬發(fā)生遷移，從零件接觸面表面磨下碎屑。為防止這類磨損，保護(hù)金屬不被遷移，延長零件使用壽命，采用一種耐撞擊磨損涂層噴涂于零件表面，這類涂層的硬度高、韌性好、結(jié)合力強(qiáng)，且具有一定的抗腐蝕能力。

耐撞擊磨損涂層常用于壓氣機(jī)及風(fēng)扇葉片阻尼凸臺、渦輪葉片葉冠阻尼面、風(fēng)扇組件或其他零件的易磨損部位。目前，航空發(fā)動機(jī)中應(yīng)用最廣的耐撞擊磨損涂層有：鈷/碳化物涂層、碳化鉻-碳化鎢涂層、鎳鉻-碳化鉻涂層，制備方法主要有等離子噴涂和超音速火焰噴涂，其制備工藝路線如下。

2.2 耐粘著磨損涂層

粘著磨損是指當(dāng)兩個(gè)表面發(fā)生相對滑動時(shí)，由于緊密接觸，產(chǎn)生強(qiáng)大的粘著力，導(dǎo)致金屬發(fā)生遷移，從一個(gè)表面拉出碎屑，粘附到另一個(gè)表面上形成粘著磨損。粘著磨損通常發(fā)生在潤滑不充分的場合，為防止這類磨損，延長零件的使用壽命，采用一種耐粘著磨損涂層噴涂于零件表面。這類涂層具有硬度高、表面粗糙度低、摩擦系數(shù)低，同時(shí)有一定的耐腐蝕性。

耐粘著磨損涂層通常用于航空零件齒輪軸、燃油泵轉(zhuǎn)子、銷軸等易磨損的部位。目前，應(yīng)用最廣的耐粘著磨損涂層是鎳鉻硼硅涂層，采用等離子噴涂方法制備，其工藝路線如下。

3 耐磨涂層制備方法及性能分析

耐磨涂層的制備方法最早的是等離子噴涂技術(shù)，隨著熱噴涂技術(shù)的發(fā)展，超音速火焰噴涂技術(shù)的不斷進(jìn)步和成熟，現(xiàn)已逐漸應(yīng)用到航空發(fā)動機(jī)耐磨涂層制備中，兩種方法制備的耐磨涂層性能有一定的差異。

3.1 等離子噴涂耐磨涂層性能分析

航空發(fā)動機(jī)用耐磨涂層具有高硬度、高結(jié)合強(qiáng)度、抗氧化、耐腐蝕的特點(diǎn)，表1所示是幾種常用的耐磨涂層的結(jié)合強(qiáng)度和硬度分布，以及應(yīng)用部位。

以碳化鎢/鈷為例，分析等離子噴涂制備涂層的組織形貌和組織中元素分布情況，從圖1的XRD能譜分析顯示，組織中的氧元素占2.92 wt%，說明粉末在飛行沉積過程中有一定程度的氧化，但是氧化的占比較小，基本保留了粉末原有的特性。從圖2的涂層形貌看出，涂層組織中有顆粒狀，有扁平狀，這說明等離子噴涂的溫度高，粉末顆粒熔化充分。

圖2 等離子噴涂碳化鎢/鈷涂層的涂層形貌

3.2 超音速火焰噴涂耐磨涂層性能分析

涂層質(zhì)量很大程度上依賴于噴射熔滴的速度，提高熱噴涂射流和噴涂粒子的速度，已成為當(dāng)前國際熱噴涂技術(shù)發(fā)展的新趨勢，近年來，推廣應(yīng)用的超音速火焰噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了噴涂粒子速度的進(jìn)一步提高，制備的碳化物涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度如表2所示，從表中可以看出，涂層的結(jié)合強(qiáng)度和硬度較等離子噴涂制備的高。

表2 超音速火焰噴涂耐磨涂層名稱及應(yīng)用

從超音速火焰噴涂制備的碳化鎢/鈷涂層的XRD能譜圖看出，組織中氧含量為1.86 wt%，低于等離子噴涂制備的2.92 wt%，超音速火焰噴涂的粒子速度高，粉末液滴在空氣中停留時(shí)間短，氧化不易發(fā)生，有利于保留涂層粉末原有的物理和化學(xué)特性。涂層的組織形貌如圖4所示，碳化物粒子呈顆粒狀，粒子周圍存在黏結(jié)相，黏結(jié)相散布在涂層組織中，這說明超音速火焰噴涂時(shí)，碳化物粒子并沒有完全熔化，組織多數(shù)以顆粒形式存在。

圖3 超音速火焰噴涂碳化鎢/鈷涂層的元素分布

圖4 超音速火焰噴涂碳化鎢/鈷涂層的涂層形貌

超音速火焰噴涂技術(shù)具備高速度的特點(diǎn)，使得制備的碳化物涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能，可以成為電鍍鉻的替代方法，文獻(xiàn)[3]顯示，等離子噴涂制備的碳化物試件的磨損量是超音速火焰噴涂制備的碳化物試件的磨損量的11.8倍，超音速火焰噴涂制備的碳化物涂層的耐磨性遠(yuǎn)高于鍍鉻試件。超音速火焰噴涂碳化鎢涂層具有更高的耐磨損和耐腐蝕性能，可以替代電鍍硬鉻[4]。

4 結(jié)論

等離子噴涂技術(shù)制備的涂層結(jié)合強(qiáng)度高，溫度高可制備難熔的陶瓷等涂層，超音速火焰噴涂技術(shù)在制備碳化物類耐磨涂層上顯示出優(yōu)異的性能，成為制備航空發(fā)動機(jī)耐磨涂層的首選技術(shù)之一。本文主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）航空發(fā)動機(jī)用耐磨涂層應(yīng)根據(jù)零件的使用條件要求選擇磨損涂層的類型。

（2）航空發(fā)動機(jī)用耐磨涂層具備高結(jié)合強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn)。