航空發(fā)動(dòng)機(jī)歷來(lái)是新材料、新工藝的競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)不但零件工作條件惡劣：工作溫度高（渦輪前溫度已超過(guò)1300℃）、轉(zhuǎn)速高（渦輪轉(zhuǎn)速約10000轉(zhuǎn)/分）、負(fù)荷高，可靠性要求也很高。熱噴涂技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造、修理技術(shù)中不可缺少的工藝。熱噴涂技術(shù)不僅采用的時(shí)間早、而且應(yīng)用的范圍廣、取得的經(jīng)濟(jì)技術(shù)收益顯著。熱噴涂技術(shù)在很大程度上支持了航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)也拉動(dòng)了熱噴涂技術(shù)的發(fā)展。如今凡是制造、修理航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的單位都采用了熱噴涂技術(shù)。20世紀(jì)70年代一臺(tái)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱噴涂的零件數(shù)就已有約500多個(gè)，而目前則已達(dá)上千個(gè)零件、3000多個(gè)部位。

 

　　現(xiàn)將熱障、封嚴(yán)、耐磨涂層的幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例介紹如下。

 

熱障涂層

 

　　簡(jiǎn)稱(chēng)"TBC"涂層(Thermal Barrier Coating),通常由金屬(合金)粘結(jié)及耐蝕底層和低導(dǎo)熱率的氧化物陶瓷面層組成.已日益廣泛的用于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、加力燃燒室、渦輪部件及熱燃?xì)馔ǖ赖瘸惺軣釕?yīng)力、熱腐蝕的熱端部件上。熱障涂層又稱(chēng)“隔熱”涂層，它可降低材料的工作溫度，提高材料的使用等級(jí)，降低零件對(duì)冷卻氣流要求。另外它還能有效阻隔高溫燃?xì)鈱?duì)材料有腐蝕從而延長(zhǎng)了材料的使用壽命。

 

　　A.加力燃燒室內(nèi)壁"TBC"涂層隔熱效果：

　　加力燃燒室的內(nèi)壁的等離子噴涂"TBC"涂層是用鎳鋁(或鎳鉻)材料作底層，厚度為0.1～0.15mm，面層為氧化物陶瓷，厚度為0.2mm～0.35 mm。這種熱障涂層在兩種加力燃燒室上應(yīng)用，均取得了良好的隔熱效果，最大的隔熱溫差達(dá)120℃。

 

　　B.航空發(fā)動(dòng)機(jī)火焰筒TBC涂層應(yīng)用：

　　美國(guó)普·惠（PRATT & WHITNEY）公司的 JT8D 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)每臺(tái)有九個(gè)火焰筒,其內(nèi)表面均采用了等離子噴涂 NiCoCrAlY+ZrO2 熱障涂層。 JT8D 發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，不斷改進(jìn)至今,用量已超過(guò)13000臺(tái)，火焰筒就有多種型號(hào)，它的 NiCoCrAlY+ZrO2 涂層設(shè)計(jì)成熟，是國(guó)際上一度領(lǐng)先的熱障涂層。國(guó)內(nèi)某廠(chǎng)自84年至今已加工噴涂一萬(wàn)多個(gè)火焰筒交付普·惠公司。該廠(chǎng)與美國(guó)普·惠公司聯(lián)合研發(fā)的FT8燃?xì)廨啓C(jī)火焰筒也同樣采用了熱障涂層。

 

　　用于火焰筒的NiCoCrAlY+ZrO2 熱障涂層，采用等離子噴涂工藝。原來(lái)底層為0.076～0.12mm厚的鎳鈷鉻鋁釔，面層用氧化鎂穩(wěn)定的氧化鋯，厚度0.25～0.38mm. 后將底層加厚為 0.12～0.20mm. 20世紀(jì)90年代進(jìn)行了優(yōu)化，涂層的底層仍用 NiCoCrAlY，涂層厚度放寬為 0.12～0.23mm, 面層改用氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯粉末，厚度放寬為0.25～0.43mm。因?yàn)榛鹧嫱驳膬?nèi)徑僅φ130mm，在其內(nèi)表面噴涂須采用內(nèi)孔等離子噴槍。

 

封嚴(yán)涂層

 

　　航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)有近二十級(jí)壓氣機(jī)和渦輪葉片，各級(jí)之間均有壓差。轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間的間隙嚴(yán)重影響壓氣機(jī)和渦輪的效率，以至僅葉尖漏氣損失就占發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)損失的10～40%。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸增大和溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的封嚴(yán)變得極為重要。

 

　　A. 減少?gòu)较蜷g隙的可磨耗涂層

　　現(xiàn)在常用的控制間隙、減少泄漏損失的熱噴涂封嚴(yán)涂層有兩類(lèi)：可磨封嚴(yán)涂層和氣路封嚴(yán)涂層?？赡ネ繉邮窃谙鄬?duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)葉片葉尖徑向外側(cè)的靜止環(huán)帶上噴涂可磨耗抗沖刷的軟涂層，以減少葉片葉尖處的徑向間隙。常用材料和適用溫度見(jiàn)表1。常用的涂層材料為：鎳/硅藻土、鎳鉻/硅藻土和鎳鉻鋁/硅藻土。可磨封嚴(yán)涂層在不改動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)原設(shè)計(jì)的情況下減小渦輪徑向間隙，使推力提高1～3%，燃油消耗可降低2～5%。

 

　　表1  常用可磨涂層材料和適用溫度

 

　　B.氣路封嚴(yán)涂層實(shí)際上是耐磨涂層。由于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度和轉(zhuǎn)速是動(dòng)態(tài)的，可磨耗涂層減小徑向間隙一般只能在某一種狀態(tài)，如最高溫度和最大轉(zhuǎn)速時(shí)獲得“零間隙”。為了更有效地在更高溫度條件下減少漏氣損失，一般采用金屬箔蜂窩做成靜止件封嚴(yán)環(huán)，由它與帶冠葉片蓖齒的側(cè)面形成封嚴(yán)效果。在這里蜂窩相當(dāng)于可磨耗抗沖刷的第一類(lèi)軟“涂層”，而在對(duì)應(yīng)的葉片蓖齒側(cè)面則噴涂耐磨涂層。常用的涂層材料為含氧化鈦的氧化鋁或氧化鋯，以改善磨擦提高壽命。FT8動(dòng)力渦輪的渦輪葉片葉冠均采用了等離子噴涂含氧化鈦的氧化鋁耐磨涂層。

 

　　可磨耗涂層也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)滑油系統(tǒng)封嚴(yán)，減少滑油泄漏。如發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承支座，采用等離子噴涂鋁聚苯酯涂層，封嚴(yán)效果好壽命長(zhǎng)。

 

耐微動(dòng)磨蝕涂層

 

　　微動(dòng)磨蝕是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中較突出的一種磨損故障。它產(chǎn)生在兩個(gè)有一定正壓力作用、工作中有極微小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（一般小于25μｍ）的金屬表面，也稱(chēng)振動(dòng)磨蝕。微動(dòng)磨蝕造成的表面損傷，會(huì)加速其它形式故障產(chǎn)生，直至構(gòu)件失效。由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)追求重量輕，大量使用鋁、鎂、鈦合金和鎳基合金，采用柔性結(jié)構(gòu)多，加之工作溫度波動(dòng)大，微動(dòng)磨蝕應(yīng)當(dāng)格外重視。熱噴涂技術(shù)可以根據(jù)微動(dòng)磨蝕部位不同的工作條件和材料，提供多種耐微動(dòng)磨蝕涂層。長(zhǎng)壽命航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件中，廣泛的應(yīng)用了熱噴涂的耐微動(dòng)磨蝕涂層，小到一個(gè)墊片、銷(xiāo)子，大到直徑近二米的機(jī)匣。有零件上有幾十部位須進(jìn)行噴涂。常用的熱噴涂耐微動(dòng)磨蝕材料有：鎳包鋁、銅鎳銦、碳化鎢/鈷、碳化鉻/鎳鉻。

 

　　A.發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身中部快卸環(huán)部位的耐磨涂層

   

　　使用一個(gè)壽命后，快卸環(huán)、導(dǎo)向器外環(huán)和擴(kuò)散器3個(gè)零件同時(shí)磨蝕出坑，過(guò)去均作報(bào)廢以避免故障發(fā)生。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，這3個(gè)零件都采用等離子噴涂鎳/鋁涂層0.1～0.2mm進(jìn)行了修復(fù)，并再次使用。由于鎳/鋁涂層自身具有良好的抗微動(dòng)磨蝕作用，因此不但恢復(fù)了零件的幾何尺寸而且還提高了零件的性能，在再次使用一個(gè)壽命后涂層完好無(wú)損，而且還可繼續(xù)使用。

 

　　B.火焰筒耐磨涂層應(yīng)用

   

　　在一個(gè)JT8D或FT8的火焰筒上，最多有6處采用等離子噴涂耐微動(dòng)磨蝕涂層，其中5處為等離子噴涂鎳鉻/碳化鉻（25/75）涂層，尾段為爆炸噴涂或高速等離子噴涂鎳鉻/碳化鉻（7/93）涂層，厚度均為0.05～0.10mm。使用Praxair3620系統(tǒng)進(jìn)行高速等離子噴涂(噴槍為SG100，MACH Ⅱ參數(shù))，所有的涂層均獲美國(guó)普·惠公司的批準(zhǔn)，代替爆炸噴涂用于JT8D和FT8十多個(gè)零件上。一般480℃以下用鈷/碳化鎢，480℃-870℃用鎳鉻/碳化鉻。采用不同的噴涂工藝所得到的涂層性能是有差別的，參見(jiàn)表2、表3。

 

　　表2：不同噴涂工藝下的鈷/碳化鎢涂層性能對(duì)比

　　*高速等離子噴涂是指使用Praxair的SG100噴槍在MachⅡ參數(shù)下工作。

 　　

　　表3：不同噴涂工藝下的鎳鉻/碳化鉻涂層性能對(duì)比

　　*高速等離子噴涂是指使用Praxair的SG100噴槍在MachⅡ參數(shù)下工作。