航空发动机叶片表面涂层氧化处理可行性研究

■ 韩国忠 陈海生/成都航利（集团）实业有限公司

0 引言

为了提高某型航空发动机高压涡轮叶片的抗腐蚀性与抗高温氧化性,在维修过程中将高压涡轮叶片表面的防护涂层更换为性能更好的AlSiY涂层。按照高压涡轮叶片原涂覆的涂层修理工艺,涂覆了AlSiY涂层的高压涡轮叶片先用水吹砂去除附着物再进行氧化处理,目的是为了防止修理过程中汗渍浸蚀对涂层造成二次损伤,以提高AlSiY涂层的抗氧化性和抗高温氧化性。但是,叶片表面更换为AlSiY涂层,若在修理过程中增加氧化工序,修理周期将增加3天,还需增加较多的人力、物力成本。考虑到AlSiY涂层自身抗腐蚀性与抗高温氧化性较好,且高压涡轮叶片又是航空发动机修理过程中的关键路径之一,因此,研究在修理过程中是否需要增加氧化工序是十分必要的,可为该叶片修理流程的优化提供技术支撑。

为此,开展了汗液和氧化工序对高压涡轮叶片表面AlSiY涂层影响的试验研究[1],以确定氧化工序在叶片维修过程中的必要性,不仅有助于提高对AlSiY涂层的理论认识,还可以完善高压涡轮叶片涂覆AlSiY涂层的修理流程。

1 理论评估

该型航空发动机高压涡轮叶片表面新涂覆的AlSiY涂层与原有涂层中的元素浓度对比分析详见表1。从中可以看出,原有涂层铬含量高,涂层硬度较高；AlSiY涂层中外层、中间层、内层的铝含量均远高于原有涂层,因此AlSiY涂层较软且具有较好的延展性,结合力强,且铝与镍都是活泼金属,在空气中的自氧化性好,在大气环境下可以很快在金属表面形成一层氧化膜。从理论上分析,相对于原有涂层,AlSiY涂层存在不增加氧化工序的可行性。

2 试样准备及试验方案

2.1 试样准备

准备4片表面涂覆AlSiY涂层的高压涡轮叶片,涂层使用寿命差异应在±50h以内,涂层外观质量应相差不大。对试样叶片进行清洗、吹干并编号1#至4#。将1#、2#试样的叶身部分用线切割方法横向分别切成宽度相同的4等份,并用油石或锉刀打磨切割边缘毛刺,分别编号为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。将3#、4#试样的叶身部分用线切割方法横向分别切成宽度相同的4等份,并用油石或锉刀打磨切割边缘毛刺,分别编号为M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8。

表1 两种涂层中元素浓度分析对比结果

表2 试样水吹砂、氧化试验方案

表3 试样常温及高温抗腐蚀性实验方案

2.2 试验方案设计

试样水吹砂后氧化工序对外观质量的影响试验方案设计如表2所示。试样常温及高温抗腐蚀性实验方案设计如表3所示。

3 试验结果

3.1 氧化工序对水吹砂后的试样外观影响

按照试验方案,先对所有试样（S1～S8和M1～M8）进行水吹砂处理,然后对编号为3#、4#（M1～M8）的试样按原有工艺进行氧化处理,将氧化处理后的3#、4#（M1～M8）试样与未经氧化的1#、2#试样（S1～S8）外观进行对比照相,如图1所示。

从试样实物外观对比分析可以看出,氧化[2]后的试样与水吹砂前的试样外观质量变化不大,说明氧化工序对水吹砂后的试样外观质量影响不大。

3.2 试样常温及高温抗腐蚀性实验情况

1） 按照试验方案,对水吹砂后未进行氧化的S1～S7试样进行常温和高温抗腐蚀试验,S8留作对比样件。

从试样外观对比分析得到,水吹砂后未经过氧化处理的试样进行模拟汗液浸渍后,经过650～1150℃的高温试验,S1～S7试样表面涂层略有正常的氧化变色,涂层表面无任何斑点、异常缺陷、局部脱落、起层、发绿等情况。可以看出,汗液对未经过氧化处理的叶片表面AlSiY涂层外观质量未产生异常影响。

2） 按照试验方案,对水吹砂后未进行氧化的M1～M7试样进行常温和高温抗腐蚀试验,M8留作对比样件。

从试样外观对比分析得到,水吹砂后经过氧化处理的试样进行模拟汗液浸渍后,经过650～1150℃的高温试验,M1～M7试样表面涂层略有正常的氧化变色,涂层表面无任何斑点、异常缺陷、局部脱落、起层、发绿等情况。可以看出,汗液对经过氧化处理的叶片表面AlSiY涂层外观质量未产生异常影响。

从试样S1～S7和试样M1～M7经过常温及高温抗腐蚀性试验后的照片对比来看,未经过氧化处理的S1～S7试样与经过氧化处理的M1～M7试样,汗液浸渍、高温试验后的外观质量基本一致,涂层表面无任何黑斑、发绿、脱落、起层等情况。因此可以确定,氧化处理对于叶片表面的AlSiY涂层的外观质量影响不大。

表4 S1～S7试样抗腐蚀失重试验

表5 M1～M7试样抗腐蚀失重试验

3.3 试验前后的失重对比情况

S1～S7试样模拟汗液浸蚀前、高温模拟试车试验后的试样失重情况对比情况如表4所示。M1～M7试样模拟汗液浸蚀前、高温模拟试车试验后的试样失重情况对比如表5所示。

从氧化工序对涂层的抗氧化性方面来分析,对S1～S7试样和M1～M7试样的常温抗氧化试验前后的失重情况进行对比,未经过氧化处理的S1～S7试样与经过氧化处理的M1～M7试样的失重相差0.001g,汗液浸渍、高温试验前后的失重基本一致。因此可以看出,增加氧化处理不会增加叶片表面AlSiY涂层的抗氧化性,可以取消氧化处理工序。

4 实际使用情况分析

在高压涡轮叶片新涂覆AlSiY涂层制备过程中,根据工艺要求涂覆AlSiY涂层后进行水吹砂处理,但不进行氧化处理,检验合格的叶片直接装机使用。经过统计,前期新涂覆AlSiY涂层的高压涡轮叶片超过10000片,且都已装机使用,在使用过程中从未发现涂层出现黑斑、发绿、起皮、掉块等故障,同时验证了涂覆AlSiY涂层的叶片不进行氧化处理工序也不会对涂层及叶片本身的使用造成影响。因此,涂覆AlSiY涂层的高压涡轮叶片在修理过程中不进行氧化处理是可行的。

[1] 霍晓, 张建苏, 王蓓蕾, 吴凤筠,韩雅芳.NiCrAlYSi包覆型涂层发动机试车“黑斑”的分析[J].材料工程,1999（4）.

[2] 吴荫顺,方智.腐蚀试验方法与腐蚀检测技术（第一版）[M].北京：化学工业出版社,1996.

[3] 徐明德,刘颖.金属腐蚀与防护标准手册[S].北京：中国环境科学出版社,1996.