热喷涂材料和技术在航空发动机中的应用

朱警雷

【摘 要】热喷涂技术是先进航空发动机的核心技术之一。热喷涂材料和技术应用表现在航空发动机关键零部件的耐磨、高温防护、隔热、封严以及钛合金零件的防微动磨损、阻燃等方面[1]，在提高发动机材料性能方面起到了重要作用。本文介绍了先进热喷涂材料和技术在航空发动机零部件上应用的目的、种类、特点及优异性能，阐述了在航空发动机应用中存在的问题和发展趋势。

【关键词】热喷涂材料 航空发动机 应用

1 应用

航空发动机应用的热喷涂材料主要包括抗磨损涂层材料、间隙封严涂层材料、热障涂层材料和其它功能性涂层材料[2]；热喷涂工艺方法主要有等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂和激光喷涂等。在一台航空发动机上有上千个零部件的大约3000多处零件表面需采用热喷涂涂层。

1.1 耐磨涂层

随着航空发动机性能的不断提高，发动机零部件工作条件更加苛刻，例如温度高（高压涡轮前最高温度已超过1500℃）、转速高（涡轮转速约20000rpm）、负荷高；同时零部件受到粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等不同类型的磨损，都会降低发动机性能、缩短发动机使用寿命。热喷涂技术因其取材范围广、基体温度较低、变形小、涂层厚度容易控制等优点被普遍的用于喷涂航空发动机上的耐磨涂层，几种常用耐磨涂层详见表1。

1.2 封严涂层

航空燃气涡轮发动机都有比较完整的气路封严系统，系统由介于轴、鼓筒、转子叶片叶尖、压气机和涡轮等各级之间的40-60处封严装置组成。气路封严装置的好坏直接影响发动机的推力和效率。典型发动机高压涡轮叶尖间隙减少0.254 mm，涡轮效率就可提高约1%。涡轮径向间隙增加0.127 mm，耗油率约增大0.5%。压气机径向间隙增加0.076 mm，耗油率约增大1%。采用热喷涂技术制备一个既能减少间隙又能缓冲干涉摩擦的封严圈，成为封严圈制造的最理想选择[2]。用于间隙控制的热喷涂封严涂层分为两大类，即可磨耗涂层和主动磨削涂层[2]。国内外大量发动机都采用不同的可磨耗涂层来保证封严质量从而控制间隙。英国罗· 罗公司RB211-535C发动机高压涡轮前轴承挡圈，中压涡轮轴承定位环，空气封严环，滑动封严环喷涂铝硅/石墨涂层，中压压气机静子封严圈喷涂铝硅/聚醋涂层等。美国发动机TF39风扇叶片的燕尾等离子喷涂Cu-Ni-In涂层防止擦伤，这些均属于可磨耗封严涂层。主动磨削涂层主要是喷涂在转子组件和静止件配合部位上的硬质涂层。主要是等离子喷涂的Al2O3和TiO2陶瓷涂层。这类陶瓷涂层硬度高、高温性能好，且导热系数低，不会使薄壁转子因摩擦热而产生变形。美国GE公司LM2500发动机低压涡轮转子二、三、六级封严圈上均喷涂Al2O3涂层。

1.3 热障涂层

热障涂层广泛应用于发动机的燃烧室、加力燃烧室、涡轮部件及热燃气通道等承受热应力、热腐蚀的热端部件上。TBCs可以提高材料等级，延长材料的使用寿命或降低零件的冷却气流要求。

2 新型热喷涂材料和技术的应用

新型热喷涂工艺技术在航空发动机的应用领域不断地涌现，相继出现了爆炸喷涂、高速活性燃气火焰喷涂、高速电弧喷涂、活性电弧喷涂、高速等离子喷涂、三阴极内送粉等离子喷涂、溶液等离子喷涂、冷气动力喷涂、反应等离子喷涂等新技术[4]。多种复合工艺技术已联合使用，形成高性能梯度功能材料涂层[3]。

3 存在问题和发展趋势

尽管热喷涂材料和技术在航空发动机零部件制造中得到了广泛应用并取得了巨大效益，但是热喷涂材料和技术尚有较多待解决的问题，应该着重热喷涂涂层材料和涂层设计、工艺方法、应用基础理论研究等工作。

3.1 热喷涂材料及涂层设计

目前大多数涂层设计基本停留在经验设计阶段，缺乏较为完善的热喷涂涂层设计体系及所需的大型涂层数据库。首先需建立一个包含涂层材料成分、涂层性能与服役性能的关系、工况条件及其变化对涂层性能的要求、工艺方法及其相关工艺参数、工艺设备参数等数据的数据库；然后通过评估现有理论和经验公式的成熟性，并采用数学建模方法来利用计算机技术，逐步建立和完善涂层设计体系。

3.2 热喷涂工艺方法

随着涂层质量要求的提高以及自动控制技术的发展，在热喷涂技术中实现自动化和智能化已成为必然的趋势[5]。目前国外已经基本建立了热喷涂材料和相应喷涂工艺参数数据库，实现计算机在线重现和存储。国内基本上还处于工艺性阶段，涂层质量主要依靠经验和严格的规程来保证。由于表面工程的飞速发展，热喷涂技术与其它学科相互交叉渗透形成了新的表面处理工艺-复合表面工程技术。例如热喷涂与热处理工艺的复合，出现了炉内烧结重熔和高频感应重熔涂渗等工艺；与电镀或电刷镀工艺的结合产生了镀涂工艺和涂镀工艺；与铸造工艺复合出现了烧结喷熔和电火花烧结工艺等；与高能束表面处理技术复合出现了激光重溶和电子束重熔等。

3.3 应用基础理论研究

热喷涂技术是一个受高温、高速、非均匀性等多参数影响的动态过程，影响因素复杂。针对这种情况，各国十分重视热喷涂技术的理论研究。目前，对热喷涂技术的研究正从试验性工艺技术向着有坚实理论基础的工艺发展。

4 结语

热喷涂材料和技术在国内航空动力的应用与国外先进技术相比有一定的差距。但是国内航空发动机制造工程重视程度的增加，热喷涂材料和技术必将在国内航空动力上发挥更重要的作用。

参考文献：

[1] 王璐.热喷涂技术在先进航空发动机上的应用及前景展位[J].有色金属（冶炼部分），2008.

[2] 付俊波，周世魁.热喷涂技术在航空发动机零部件及其维修中的应用[J].失效分析与预防，2006（5）：61-64.

[3] 赖师墨.控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层[J].航空工艺技术，1995（3）：53.

[4] 徐滨士.材料的应用与发展[J].材料工程，2001（12）：11-13.

[5] 赵力东.Erich L.热喷涂技术的新发展[J].中国表面工程，2002：5-8.