铝硅聚苯酯封严涂层的研究现状和发展

陈同灿 丁坤英 曹卫

摘要：铝硅系封严涂层是发动机压气机常用的中低温封严涂层，目的是减少转子和静子之间的间隙，同时保护叶片不受磨损，对发动机的效率有着非常重要的影响。本文对铝硅聚苯酯封严涂层的现状和进展进行研究，为后续铝硅聚苯酯封严涂层制备方法以及喷涂工艺对涂层结构、形态特征、性能的影响分析打下基础，从而为民航飞机的制造和飞行安全等提供一方面的保证。

Abstract： Aluminum-silicon sealing coating is a commonly used medium and low temperature sealing coating for engine compressor. The purpose is to reduce the gap between rotor and stator and to protect the blade from wear， which has a very important effect on engine efficiency. In this paper， the present situation and progress of aluminum-silicon-polystyrene ester sealing coating are studied， which lays a foundation for the preparation method of aluminum-silicon-polystyrene ester sealing coating and the influence analysis of spraying process on the structure， morphological characteristics and properties of the coating.

关键词：铝硅聚苯酯;封严涂层;研究;发展

Key words： polyphenylene Al-Si;sealing coating;research;development

中图分类号：TG174.4                                     文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0035-03

0  引言

1950年代初期，英国Haveland公司研究并发明了“彗星”喷气式飞机。飞机的运行显著提高了民航的运营效率，从那时起，飞机就成为一种非常重要的运输交通工具，能够快速地运送客人和货物。目前，中国航空业的发展相对美国、法国等发达国家才刚刚起步。特别是飞机发动机的研发和制造一直是中国航空航天工业发展中的一个问题，并且仍处于需要紧急突破的瓶颈阶段。飞机发动机的设计过程从简单的测量和映射变为独立的研发。民航发动机的设计、开发和制造过程是一个非常复杂和系统的项目。它涵盖了各个学科领域的各种先进科学技术，例如材料、力学、机械制造等。它已成为衡量国家科学技术水平和整个国家综合实力的标准和重要标志。旋翼系统的结构是飞机发动机的核心组成部分，非常复杂。转子系统的工作环境是高速、高负荷、高温，需要高可靠性和高安全性。机械制造中转子系统是最复杂、最精确的产品之一[1]。在燃气涡轮式发动机中，利用高速旋转的叶片进行工作来提高增加气压， 压气机是主要的核心部件。为了提高飞机发动机的涡轮叶片的耐高温性，必须将高温压缩空气压入飞机发动机中以获得高推力重量比。涂层技术是高级发动机必不可少的关键核心技术[2]。当前，飞机发动机技术的发展以及在各种技术材料的涂层中在发动机的任何部分的使用，各个方面对性能要求都不断提高，起着保护、密封、耐磨和抗冲击、减震及隔热的作用，并确保引擎安全可靠的操作。与此同时，它会使发动机的工作温度和热端部件使用寿命提高、延长，燃油消耗大大减少，并提高发动机的工作效率。 [3]

1  封严涂层简介

封严涂层是涂覆在飞机发动机气流通道间隙部分的涂層。如果飞机发动机涡轮的径向游隙由于受热等因素增加0.13mm，则发动机燃油的消耗量随之增加0.5%左右;反过来，如果径向游隙减小0.25mm，那么可以使涡轮的效率提高约1%。除此以外，减少压气机的径向游隙还能使发动机的喘振保护能力提高，从而飞行安全性也得到提高。

在飞机燃气轮机中封严涂层可以使涡轮机和压气机的壳体之间的密封效果得到改善，它是发动机技术中最重要的技术之一。在旋转部件与固定部件之间形成密封涂层，以此来使得气体通道封闭，间隙减少并使热效率得到提高。新型飞机发动机中，封严涂层的使用温度为300-1200°C，最高可达1350°C。因此，提高核心发动机部件密封涂层的高温保护、封性和耐磨性势在必行。

工程上所需要的十分符合要求的封严涂层应该具有可靠性高、热稳定性好、摩擦系数低以及抗氧化性强等特点。当涂层在使用时，它可以有效防止刮擦损坏，同时保持最小的间隙，以实现预想中的密封效果。大多数封严涂层根据其性能要求由复合材料制成，主要有金属相、非金属相和孔三种成分组成，金属相主要起增加喷涂性、提高粘合强度和抗耐腐蚀性的作用，通常使用镍、钴、铜、铝及其合金。非金属相主要起到耐磨损、抗粘结和自润滑作用，通常使用聚苯酯、石墨、硅藻土等。

2  封严涂层的制备方法[4]

目前，使用热喷涂技术是制成封严涂层的主流方法，该技术常见的主要有以下四种：

2.1 火焰喷涂

喷涂的时候， 在热源火焰的作用下金属和非金属材料被加热到熔融的状态，然后被高速气流推动形成流束雾化，再喷射到基板上。当熔融雾化的小颗粒撞击基材时由于力的作用发生塑性变形，进而形成一种层状的覆盖沉积性涂层。设备维护时，可用于补偿表面磨损并提高性能。在热喷涂中，火焰喷涂成本最低，作为优先考虑的涂层技术该喷涂技术下的涂层具有以下基本性能：①通用金属可以喷涂一般的金属和非金属基材，通常基材的形状和尺寸是不受限制的，但是存在问题比如小孔目前还无法做到喷涂。②涂层材料特性比较丰富，在金属、合金以及陶瓷复合材料表面均可以喷涂多种性能的涂层材料，比如耐磨性、耐蚀性、隔热、耐高温等等。③涂层的多孔结构储油润滑和摩擦性能比较好，并具有硬度高。喷涂层的宏观硬度最理想的可以达到450HB，而喷涂焊接层最高硬度可以达到65HRC。④火焰喷涂时，基材的表面加热温度为200～250℃，总温度约为70～80℃。对基材的影响十分小，材料结构不变。

但是，这种涂层也有缺点：①喷涂涂层对底材的粘合强度低，交变和冲击载荷不能承受。②对基材的表面处理要求比较严格。③由于受各种条件的影响，火焰喷涂过程中涂层质量还没有得到有效的测试。④由于火焰喷射时速率较低，得到的涂层比较疏松，其中所含的氧化物量比较高而且粘附力比较差。

总的来说，对比四种热喷涂技术，火焰喷涂技术的成本是最低的，目前对高孔隙率和高氧化物含量的特殊涂料已成功应用。

2.2 爆炸喷涂

爆炸性喷雾点燃并燃烧氧气和乙炔气体，从而使气体产生膨胀和爆炸，由爆炸释放出热量和冲击波。喷涂粉末由于热量形成熔融粉末，再在700～800m/s速度的冲击波作用下，被喷涂到工件表面上，从而形成涂层。通常认为形成爆炸性涂层的基本特性是熔融颗粒与基材高速碰撞的结果。喷雾喷涂的最大特点是颗粒高速飞行并具有很大的动能。因此，该防喷涂料具有以下特征：①涂料与基材之间的高粘合强度;②形成的涂层致密，孔隙率低;③粗糙度低;④低工件表面温度。

2.3 等离子喷涂

热喷涂技术中，最早的先进工艺是制造隔热涂层的等离子喷涂（PS）技术。用等离子喷枪产生等离子，等离子火焰作为热源，将输送的粉末加热到熔融状态，然后被高速喷射到零件的表面上，与此同时受到撞击力发生塑性变形，进而粘附在零件表面上。同时，颗粒相互之间还会通过塑性变形发生彼此粘附。随着喷涂时间的增加，零件的表面会接受一定厚度的喷涂。

等离子噴涂的原理主要是将熔融的颗粒或者是半熔融的颗粒进行高速碰撞，在冲击受力变形后形成涂层。

涂层表面粗糙度低，微观结构为层状且有许多孔。目前，通过等离子喷涂制成的隔热涂层被应用于飞机发动机，鱼鳞板和固定式涡轮机叶片的加力燃烧器火焰管。

等离子喷涂目前主要有三种类型，空气等离子喷涂技术（APS），氩气等离子喷涂技术（ASPS）和真空等离子喷涂技术（VPS）。通过测定比较，APS涂层致密性比较好。但是，成分中包含的氧化物会影响其性能。ASPS涂层清洁且牢固附着。它们包含的氧化物少于APS涂层。VPS（或低压等离子喷涂LPPS）等离子喷涂过程中，消除了空气污染问题，颗粒喷射速度可以达到400～600m/s，涂层具有比较高的致密度、纯度和附着力。

2.4 高速火焰喷涂

高速火焰喷涂的发展始于1970年代末和1980年代初。它以高速喷涂，速度达到1220m/s，因此能较好地附着在基材上，形成的涂层致密性好、孔隙少、重现性比较好。

3  铝硅-聚苯酯封严涂层的发展

迄今，基于铝合金-聚酯复合材料的良好耐磨性、自润滑性以及导热性也优异的性能，作为压气机叶片涂层已广泛地在风扇压气机部位被大量使用。为了保证涂层具有良好的抗气流冲蚀性能，而且不会损坏相配合的铝合金叶片，该涂层一般用等离子喷涂方法获得。

天津大学材料学院王月[5]分析了铝硅封严涂层热稳定性破坏的机理。为了降低热负荷，将铝硅聚苯酯粉末用作底漆的表面层，根据所研究涂层的使用温度，按照一定要求确定喷涂的工艺参数。将制备的涂层样品在300°C下加热多次，然后用金相显微镜和扫描电镜观察其微观组织的变化，根据显微组织利用软件得出喷涂界面，再用Mat lab软件计算得出分形维数。发现界面曲线越复杂，分形维数越大。再根据计算结果总结出铝硅聚苯酯封严涂层的失效原因。岳阳、赵忠兴等[6]对大气等离子喷涂铝硅-聚苯酯涂层的工艺与性能之间的关系进行了研究，发现国产的铝硅聚苯酯粉末完全满足喷涂工艺的要求，通过改变工艺参数得到的涂层结构均匀分布，具有良好的机械性能，但是，在保温50小时后，涂层的硬度略有下降，并在后期基本稳定。哈尔滨汽轮机厂有限责任公司研究者林琳、刘长雁等[7]运用大气等离子喷涂方法制备铝硅聚苯酯封严涂层，分析涂层厚度与性能之间的关系。在45#钢基体表面上制备不同厚度的铝硅聚苯酯涂层，使用洛氏硬度计和拉伸试验机分别进行硬度和结合强度的测试，研究封严涂层的厚度与硬度、结合强度之间的关系，得出的研究结果是：硬度和结合强度随着涂层厚度的增加而减小。中国民航大学理学院孙波[8]以45钢作为基体，利用等离子喷涂技术制备铝硅-聚苯酯封严涂层，并系统优化了所制备封严涂层的喷涂工艺，制备铝硅-聚苯酯涂层试样在不同温度和时间保温后的涂层，研究显微组织、表面硬度以及结合性能与温度、保温时间长短之间的关系，研究该种封严涂层的刮擦机理并评估了耐磨性。中国民航大学的研究者黄宇翠、程涛涛等[9]设计不同界面结构的基体试样，使用等离子弧喷涂技术（APS）制备铝硅聚苯酯涂层，并优化、分析铝硅聚苯酯涂层界面结构与结合性能的之间的关系，分析金相显微组织、测定并验证表面洛氏硬度和界面结构涂层的结合性能之间的关系。同样来自中国民航大学的研究者刘正发、温凤春等[10]同样采用等离子喷涂技术制备铝硅聚苯酯涂层，分析了铝硅-聚苯酯涂层不同叶片转速条件下的可磨耗性能。北京矿冶研究总院刘笑笑、章德铭等[11]分别采用喷雾造粒、固相混合和胶粘团聚三种不同制粉方法制备铝基聚苯酯复合粉末，对比研究铝基聚苯酯封严涂层材料粉末及涂层性能之间的不同关系，然后通过等离子喷涂方法制备封严涂层，进而对比研究粉末及涂层的硬度、结合度等性能。

4  未来等离子喷涂技术的发展方向[12]

4.1 扩大应用范围

对比各种喷涂技术，在我国发动机技术研究和生产领域，通过等离子喷涂生产隔热涂层的工艺已成功应用于新发动机的涡轮导叶和隔热罩等部件。然而，由于采用等离子喷涂技术得到的涂层微观呈典型的板条状结构，因此容易引起热疲劳失效，并且涂层容易脱落。因此，使用这种方法生产的涂层就受到了限制，一般只能用于固定的工件的加工。因为涡轮叶片的工作环境比较复杂，从高温到低温的不断变化，而且在高速运转条件下所承受的负荷也较大。近年来，随着超声波等离子喷涂、低压等离子喷涂和水稳性等离子喷涂技术的飞速发展，可以有效地使等离子喷涂的质量得到大大的提高，而且其应用领域也在不断扩大。等离子喷涂技术必将填补国内发动机应用中的空白。

4.2 制备过程中的质量保证

目前，等离子喷涂技术已经达到非常稳定和成熟的阶段，但是先进航空技术的飞速发展也对产品质量提出了更高的要求。那么如何才能精确、可靠地确保飞机发动机的涂层产品质量呢？随着等离子喷涂技术的发展，根据需要出现了“在线检查装置”。这是一种安装在喷枪上的高速摄像头设备。在等离子喷涂过程中，实时监控各种参数，并且可以充分保证生产过程中涂层参数的质量，例如电流、电压、火焰不同区域的温度分布、粉末颗粒速度、流速和熔融状态等实际值。此外，使用在线测试设备记录的实际喷涂参数来分析涂层性能可以大大节省优化喷涂参数的时间，并在科学研究中发挥更有效的作用。

4.3 过程精细化

关于等离子喷涂机，在使用氣体质量流量计控制、净能量控制、机械手NC操作和自动称重NC粉末进料方面已进行了改进。过程识别使用涂层厚度和无损在线测试来实现有效的过程控制。监测火焰流动时间、涂层厚度和无损在线检查以及热喷涂过程的自动和数字控制，可确保涂层质量的可靠性和可重复性。简而言之，随着等离子喷涂技术和相关载体系统的发展，等离子喷涂技术正越来越多地用于飞机发动机的涂层产品中。

参考文献：

[1]曹铭栋.民用飞机发动机优化设计与排放分析方法研究[D].西安：西北工业大学，2016.

[2]路振勇.航空发动机转子系统的动力学建模及非线性振动研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[3]孙勇汉，张斌.航空发动机涂层技术研究及进展[J].涂层技术，2013（9）：84-87.

[4]https：//baike.baidu.com/item/%E5%B0%81%E4%B8%A5%E6%B6%82%E5%B1%82/4816428？fr=aladdin[OL].

[5]王月.铝硅封严涂层热稳失效机理分析[D].天津：天津大学，2009.

[6]岳阳，赵忠兴，等.大气等离子喷涂铝硅-聚苯酯涂层的工艺及性能研究[J].热喷涂技术，2014，6（1）：40-44.

[7]林琳，刘长雁，等.等离子喷涂铝硅-聚苯酯封严涂层厚度与性能关系研究[J].机械工程师，2016（3）：232-233.

[8]孙波.航空发动机用封严涂层可磨耗性评价[D].天津：中国民航大学，2015.

[9]黄宇翠，程涛涛，等.铝硅聚苯酯涂层界面结构优化及结合性能研究[J].焊接技术，2016，10（10）：21-23.

[10]刘正发，温凤春.叶片转速对铝硅聚苯酯涂层刮磨性能的影响[J]. 表面技术，2016，9（9）：112-117.

[11]刘笑笑，章德铭.制粉工艺对铝基聚苯酯封严涂层材料粉末及涂层性能影响研究[J].热喷涂技术，2011，3（9）：24-27.

[12]常秋梅，段绪海.等离子喷涂技术在航空发动机上的应用[J].表面工程技术，2008，18（9）：30-32.