航空发动机对表面工程技术的需求

梁伟，何爱杰，王标

航空发动机对表面工程技术的需求

梁伟，何爱杰，王标

(中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

概述了表面工程技术在航空发动机技术进步，尤其是在提高航空发动机效率、使用寿命和可靠性，改善经济性等方面中的重要作用；对比分析了国内外航空发动机表面工程技术水平间的差距，并对国内的技术现状和问题进行了归纳，着重指出了制约表面工程技术在国内航空发动机领域工程应用的关键因素；最后结合国内航空发动机研制和未来发展需要，从设计角度提出了表面工程关键技术需求及发展建议。

航空发动机；表面工程；工程应用；设计需求

1 引言

航空发动机由于其开放式结构(与外界进行工质交换)，工况和服役环境复杂多样，加之本身的高温、高压和高转速，使得发动机零部件除承受气动力、惯性力和热应力外，其表面还要承受摩擦、介质腐蚀、外物冲刷等。因此，发动机零部件的使用可靠性和寿命，除与设计、材料力学性能和制造密切相关外，很大程度上也取决于材料的物理、化学性能，如抗高温氧化、耐腐蚀性能、电磁性能等。而材料的抗氧化、耐腐蚀性能，往往是在特定试验参数和单一介质条件下的测试结果，与工程实际差距较大。发动机零部件在外部复杂环境下工作，承受多种腐蚀介质的作用，再加上自身性能的欠缺，常导致零件表面在寿命期内失效。

表面工程技术是通过某种工艺手段，赋予表面不同于基体材料的性能以满足某种特定的功能需求，与提高材料自身性能的技术途径相比，具有难度小、快捷、成本低、可修复等特点。零部件采用表面工程措施的费用，一般仅占产品价格的5%～10%，却能大幅提高产品的性能、延长其使用寿命，平均效益高达5～20倍。因此，表面工程技术是解决表面失效最经济、最行之有效的手段，在航空发动机行业得到了广泛应用[1]。

文献[2]指出：不带涂层的航空发动机涡轮叶片，若在商业飞机发动机上使用，可工作12 000 h，不会因高温氧化或热腐蚀而退化损伤；若在反潜飞机发动机上使用，热腐蚀可使叶片寿命缩短90%，仅为1 200 h；若在东南亚飞行的直升机发动机上使用，仅能工作800 h；若在海上石油钻井平台上的直升机发动机上使用，寿命仅300 h。由此可见，不同的工作环境对发动机零部件的寿命和使用成本影响很大，为保证发动机的安全可靠，改善其经济性，必须采取有效的表面防护措施。

美国实施的IHPTET、VAATE等航空动力预研计划，均把发动机经济可承受性和性能提高置于同等重要的地位。目前，国外航空发动机发展已历经了四代，除性能水平大幅度提高外，其寿命和可靠性也大大增加，尤其是民用航空发动机的寿命目前最长已超过40 000 h[3]，表面工程技术功不可没。

2 国内航空发动机表面工程技术现状和存在的问题

我国虽通过引进、测仿国外发动机掌握了相应配套的表面工程技术，并已应用于在研在役各型发动机，取得了一定的技术经济效益，但由于缺少自主研究，技术储备不足，与世界先进水平的差距较大，适用于新结构、新材料、新工艺的新型表面工程技术基础薄弱，难以满足新机研制和可持续性发展的要求。存在的问题主要有：

(1)通用性差。目前国内表面工程技术所涉及的标准和规范，或为型号专用规范，适用范围受限，扩大使用需开展相关研究；或为指导性文件，仅作一些常识性规定，可操作性不强。

(2)技术落后。目前采用的表面工程技术，往往是国外三代机甚至二代机的技术，创新性表面工程技术研究滞后，难以满足国内新机研制需求。

(3)完整性差。尚未形成航空发动机表面工程技术体系和建成能在工程条件下使用的数据库，设计部门难以选用。

(4)测试标准缺失或与工程实际差异太大，难以定量评估表面工程技术工程实际的使用性能。

(5)考核验证缺少权威的评估体系和评判标准，阻碍表面工程新技术的工程应用。

(6)衔接性差。基础研究与应用研究脱节，且新型表面工程技术工艺适应性差、成本高，制约其工程化应用。

3 国内航空发动机对表面工程技术的需求

随着航空发动机性能和经济性指标的不断提高，对发动机整机和零部件的可靠性和寿命要求越来越苛刻，发动机研制面临低成本和高性能的矛盾，对表面工程技术的需求也越来越迫切。下面结合国内发动机研制，分析国内航空发动机对表面工程技术的需求。

3.1表面改性技术

(1)叶片表面激光冲击强化处理技术。

发动机风扇和压气机前几级叶片多采用钛合金材料，其工作环境恶劣，难以避免砂石、灰尘、飞鸟等外物的吸入，及由此造成的冲刷、撞击等，破坏了叶片的表面完整性，在表面产生过载断裂和疲劳失效，缩短了叶片的使用寿命。传统的表面强化工艺(如喷丸)，已无法满足航空发动机——特别是大涵道比涡扇发动机风扇/压气机叶片使用寿命越来越长的寿命需求。激光冲击处理技术，较传统的喷丸处理可获得更深的残余应力层和更好的表面质量，大大提高了材料的疲劳寿命和抗外物损伤能力。目前，美国已将激光冲击强化技术，大量应用于各型军用飞机发动机压气机叶片和整体叶轮的表面强化，取得了良好的技术经济效益[4]。国内发动机叶片和涡轮盘仍使用机械喷丸的传统表面强化方式，对激光冲击表面强化处理技术尚处于理论研究和应用摸索阶段，急需加强。

(2)钛合金整体叶盘表面磨粒流光饰技术。

钛合金叶盘表面粗糙度相差一个数量级，往往意味着疲劳寿命相差数倍甚至更高。表面磨粒流光饰技术，除了能解决传统手工抛磨工期长、加工质量不稳定、磨削程度不均匀及对可达性差的部位难以进行抛磨等问题外，还能将原有的表面残余拉应力转化为压应力，进一步提高零件的疲劳寿命。

(3)钛合金整体叶盘线性摩擦焊、电子束焊焊接接头激光冲击强化技术。

目前，国内整体叶盘采用均质锻件整体毛坯数控加工，周期长、成本高，一旦局部损坏就造成整个叶盘报废，难以工程化应用，因此急需发展高效、低成本整体叶盘制造和修复技术。焊接式整体叶盘和转子在国外发动机上应用日益广泛，线性摩擦焊技术是国外高效、低成本整体叶盘制造和修复技术的主流，在国内也属研究热点，盘鼓间电子束焊接整体转子在国内已较为成熟。但这类焊接结构的焊缝属薄弱部位，必须采用强化技术提高寿命和可靠性，降低使用成本。

(4)基于离子束表面强化的钛合金摩擦副表面改性技术。

钛合金大量应用于风扇和压气机的轴颈、鼓筒等转子件，这些零件在承载的同时其局部往往承受着摩擦力、起摩擦副的作用。传统的涂层防护技术，涂层与基体界面层明显，涂层易剥落，防护效果较差，使用寿命较短，难以满足钛合金摩擦副对表面完整性的特殊要求，对钛合金构件性能产生不利影响。与涂层防护技术相比，表面改性技术有明显优势，渗层深度和合金层内成分可控，渗入元素含量随深度呈梯度分布，表面合金层与基体无明显界面，结合牢固，无微裂纹，可显著提高防护层质量和寿命。该技术也适用于高温合金、不锈钢摩擦副构件的表面改性。

(5)钛合金机匣内壁防钛火阻燃钛合金表面层离子注入技术。

3.2涂层技术

涂层有耐磨涂层、封严涂层、高温防护涂层和防钛火涂层等。涂层可赋予基体材料表层新的使用性能，延长零部件寿命，改善发动机性能，从而降低发动机全寿命期使用成本。

(1)耐磨涂层及涂敷技术。

航空发动机零件的磨损形式，包括磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损、冲蚀磨损等几种。除靠改善润滑来降低磨损程度、通过表面改性提高耐磨性外，在没有润滑或不能润滑及表面改性不适用的部位，应用耐磨涂层可有效防止发动机零部件因磨损导致的使用寿命降低和构件失效。如钛合金工作叶片榫头与轮盘榫槽，在工作过程中由于气动力、惯性力作用会产生微动磨损和粘接，直至失效，降低使用可靠性和寿命，防微动磨损涂层及涂覆技术可有效防止上述状况发生。

(2)封严涂层及涂敷技术。

采用封严涂层，是航空发动机有效提高气路封严系统密封性的重要措施。封严涂层分为可磨耗涂层(用于静子件)和主动磨削涂层(用于转子件)两类，一般涂敷于转子轴、鼓筒、机匣、叶片叶尖、压气机和涡轮各级之间的封严装置表面，以控制间隙、减少泄漏损失。

(3)高温防护涂层技术。

自媒体又称“个人媒体”或“公民媒体”，是普通大众以现代化和电子化的手段，传递规范性及非规范性信息，提供与分享他们自身的事实、新闻的途径。本研究通过微信和新浪微博等自媒体平台，在搜索栏输入“黄山民宿”，剔除纯图片，纯营销，纯介绍性文字，得到最终有效游记和评价共198条。

航空发动机热端零部件需解决抗高温氧化、抗腐蚀问题，除选择好零部件自身材料外，应考虑对其表面采取防护措施。航空发动机提高推重比的重要手段之一是提高涡轮前温度，但现有结构材料(高温合金)和冷却技术难以满足涡轮叶片耐高温需求，必须采用热障涂层降低叶片基体的工作温度。国外研究表明，在高压涡轮叶片表面涂上低导热系数热障涂层，可使涡轮进口温度至少提高110℃，延长涡轮叶片使用寿命。若其它条件不变，厚200 μm的热障涂层可使基体金属温度降低50℃，涡轮转子叶片前缘蠕变疲劳寿命延长3倍以上，冷气量减少15%，耗油率降低0.4%，还可简化冷却结构设计，降低制造成本[5]。

高温防护涂层技术是现代航空发动机制造的关键技术之一，对长寿命的大涵道比发动机制造具有重大意义。

(4)防钛火涂层及涂覆技术。

航空发动机大量使用钛合金，在减轻结构重量和提高性能的同时，也会带来钛火风险，危及飞行安全。防钛火涂层是防钛火经济、有效的解决措施之一，主要包括压气机钛合金转子叶片叶尖、鼓筒防钛火硬质封严涂层，及压气机钛合金机匣防钛火可磨耗封严涂层两个体系。

国外防钛火涂层技术研究已取得重要成果，且已工程化应用于军民用航空发动机。如EJ200压气机机匣内壁涂覆氧化锆＋易磨封严涂层，转子叶片叶尖增加立方氮化硼涂层，鼓筒增加耐磨涂层；CFM56发动机压气机机匣内壁设计了防钛火衬套＋易磨封严涂层等，取得了良好的技术经济效益[6，7]。

(5)钛合金叶片表面抗冲刷、耐腐蚀涂层及涂覆技术。

在恶劣环境下工作，风扇叶片要承受外物冲刷和腐蚀的双重作用，对其使用寿命和可靠性产生不利影响。风扇叶片材料多为钛合金，耐应力腐蚀能力差，对表面完整性更为敏感。表面抗冲刷、耐腐蚀涂层可有效阻隔外物的冲刷和应力腐蚀作用，提高叶片的可靠性和使用寿命，是先进航空发动机尤其是民用航空发动机必需的表面涂层技术。

(6)尺寸修复涂层及涂敷技术。

发动机零件加工中常由于误操作造成局部尺寸超差，若报废不仅造成经济损失，且影响研制进度。尺寸修复涂层具有效费比高、适应性强、快捷高效的特点，在非关重件的转静子件尺寸修复方面有良好的应用前景。

(7)异种金属接触防电化学腐蚀涂镀层、薄膜技术。

发动机异种金属连接组件较多，若直接接触会因电位腐蚀导致零部件失效，迫切需求可有效防止金属接触电化学腐蚀的涂镀层、薄膜技术。未来新材料的应用，在很大程度上取决于是否有配套的防电化学腐蚀的涂镀层、薄膜技术。

3.3表面工程技术需解决的共性技术问题

(1)表面工程技术使用性能的表征及测试技术。

(2)表面工程技术对基材组织性能及零件表面完整性的影响。

(3)表面工程技术后续处理(残余应力消除、组织性能改善)及评估技术。

(4)表面工程技术与零件加工工艺的匹配。

(5)表面工程技术的经济性、通用性及可维修性。(6)表面工程技术质量无损检测及评估技术。(7)采用表面工程技术的构件的结构强度设计技术。

(8)采用表面工程技术的构件的试验验证及评估技术。

4 对我国航空发动机表面工程技术发展的几点建议

(1)在满足使用要求的前提下，始终把低成本、高效率作为衡量表面工程技术先进与否的一个重要指标。

(2)以型号需求为背景，尽早开展相关新型表面工程技术的预研。

(3)以具体构件为应用平台，及时开展相关新型表面工程技术的工程化应用研究，注重与设计-制造-试验相结合的集成验证。

(4)加强测试、试验验证等配套技术的研究和设备建设。

(5)注重表面工程技术体系的建立和完善。

(6)制定科学的产学研结合科研体制，推进表面工程技术的工程应用。

[1]徐滨士.神奇的表面工程[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2]李金桂，肖定全.现代表面工程手册[M].北京：国防工业出版社，2000.

[3]刘大响，金捷，彭友梅，等.大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析[J].航空动力学报，2008，23(6)：976—980.

[4]郑启光.激光先进制造技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[5]陈林.航空发动机叶片用热障涂层的现状[J].航空制造工程，1997，15(6)：9—12.

[6]霍武军，孙护国.航空发动机钛火故障及防护技术[M].北京：航空科学技术出版社，2002.

[7]陈光，洪杰，马艳红.航空燃气涡轮发动机结构[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

Requirement of Surface Engineering Technology on Aero-Engine

LIANG Wei，HE Ai-jie，WANG Biao
(China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The great effects of surface engineering technology on engine′s efficiency,life,reliability and cost were summarized.It also analyzed the technical gap between China and foreign countries,introduced the research status and existing problems of surface engineering technology and pointed out the key factors to restrict engineering application.At last,opinions on the requirement and development of surface engi⁃neering technology were presented according to the aero-engine research and development in China.

aero-engine；surface engineering；engineering application；design requirement

V261

A

1672-2620(2013)03-0059-04

2012-07-17；

2013-03-20

梁伟(1968－)，男，陕西西安人，高级工程师，主要从事航空发动机材料研究。