Al/BN封严涂层的制备及性能研究综述

孙 杰，张 露，周 欣，孙海静，陈国亮

(沈阳理工大学 环境与化学工程学院，沈阳 110159)

可磨耗封严涂层通常用于飞机涡轮发动机气路密封，目的是减小叶片尖端与压缩机和涡轮部分铸件之间的间隙，起到保护叶片、减少级间漏气、提高发动机效率的作用，目前在航空领域得到广泛应用[1-4]。

封严涂层的制备是涡轮发动机气路密封的关键技术。为防止涂层脱落，可磨耗封严涂层不仅要具有相对较高的结合强度，还要具有较好的综合性能。既要足够“硬”，保证其在高温高速气流冲蚀下正常工作，该要求主要通过封严涂层中的金属相(Al基、Cu基、Ni基、Co基等)来实现，其可为涂层提供支撑作用，又要足够“软”，在与转子部件碰磨时优先发生磨损，防止叶片被刮削而损坏，该要求主要通过封严涂层中的非金属相(石墨、氮化硼、高分子材料等)和孔隙来实现，孔隙可有效减小涂层的硬度，非金属相可提供润滑作用[2，5-7]。根据封严涂层工作环境温度的不同可将其分为低温封严涂层(工作温度在400℃以下)、中温封严涂层(工作温度为400～800℃)和高温封严涂层(工作温度在800℃以上)三类[8]，航空发动机封严涂层的工作温度一般低于850℃，属于中低温封严涂层。

目前用于航空发动机的可磨耗封严涂层大约有二十多种，Al/BN涂层为燃气轮机压气机部分使用的一种典型可磨损材料，其具有Al金属基体和BN自润滑相，通常以等离子体喷涂的NiAl作为粘结层[9-10]。

本文主要从Al/BN封严涂层的制备方法、性能影响因素、腐蚀行为及机理等三方面介绍封严涂层的研究现状，指出目前存在的问题，并提出未来研究方向。

1 Al/BN封严涂层的制备方法

Al/BN封严涂层为铝基纳米复合材料，该材料在航空航天工业中具有广阔应用前景[11]，其通过加入氮化物等纳米颗粒增强韧性铝材料，显著提高其机械性能，包括比刚度、比屈服强度和极限拉伸/压缩强度等[12]。多项研究数据表明，BN纳米结构由于具有低密度、优异的稳定性、高导热性、良好的润滑性等综合性能，可作为轻质铝基复合材料的增强剂[13-15]。BN增强铝基复合材料的制备方法主要有高能球磨、无压渗透等[16-19]。

热喷涂是近年来封严涂层最为常见的制备方法[20]，该方法将制备好的Al/BN粉末以熔化或半熔化状态喷涂到基体表面形成涂层。热喷涂包括火焰喷涂、爆炸喷涂和等离子喷涂等方式。Al/BN封严涂层一般采用大气等离子喷涂方法[21]。等离子喷涂过程较为复杂，涂层性能影响因素也很多，国内外学者对封严涂层等离子喷涂制备工艺参数及性能进行了大量研究，将喷涂距离、喷涂功率、送粉速率确定为3个最重要的性能影响因素[22-25]。

肇国锋等[21]采用等离子喷涂制备Al/BN可磨耗封严涂层，并研究了送粉速率对涂层性能的影响，根据实验数据计算Al/BN和NiAlW两种粉末的送粉速率平均值和粉末沉积效率，确定了Al/BN面层及NiAlW底层粉末的化学成分、粒度分布及最佳制备工艺参数，并对该工艺参数下制备的封严涂层进行物理性能测试，结果表明涂层的结合强度及硬度均达标，且在450℃时抗热震性良好，在300h内组织稳定。刘通等[26]分析了喷涂工艺参数的变化(功率22～34kW、送粉量30～50g/min、喷涂距离90～150mm)对涂层组织和性能的影响规律：随着喷涂功率的增加，涂层的致密化程度、硬度和结合强度随之增加；随着送粉量的增加，涂层的硬度和结合强度降低；随着喷涂距离的增加，涂层孔隙率逐渐增加，硬度和结合强度降低。Mallick P等[27]为优化等离子喷涂的工艺参数，对大量实验数据进行收集、整理和分析，建立了多元线性回归模型，确定了等离子喷涂中实验参数(如粉末进料率、等离子体功率、粉末粒度、枪速度、喷雾距离、氩氢比等)对结果的影响程度，利用统计学原理分析得到，氢气流量和喷涂距离是最重要的影响因素。

以上研究结果表明，在热喷涂过程中，工艺参数对涂层性能的影响比较显著，涂层性能随工艺参数的变化规律有助于更有效地改善涂层性能，但目前的研究只针对单一因素对涂层性能的影响，而忽略了这些因素间可能存在的交互作用。同时，对Al/BN涂层制备方法的研究一般通过对涂层物理性能的检测来评价其优异性，以此确定最佳制备条件，但忽略了对其防腐蚀性能的分析。仅依据物理性能判断涂层的优异性进而确定最佳工艺条件不够全面，这与目前缺乏腐蚀性能相关的评价标准有关，未来可对封严涂层相关性能的评价标准进行完善。

2 Al/BN封严涂层的性能

目前，国内外对封严涂层性能的研究集中在其可磨耗性、抗冲蚀性、抗热震性和结合性能，其中可磨耗性和抗冲蚀性的研究相对更多。大量数据显示，腐蚀是涂层失效最主要的原因之一，腐蚀对航空发动机的服役造成严重的安全隐患，对封严涂层腐蚀的研究十分必要。

2.1 Al/BN封严涂层的可磨耗和冲蚀性能研究

可磨耗封严涂层一般喷涂在航空发动机机匣内壁与叶片相对应的位置上，其与叶片形成一对摩擦副，在航空发动机运行过程中，喷涂在该位置的可磨耗封严涂层与叶片发生摩擦，此时封严涂层优先被刮擦，产生与叶尖外形相衬的磨痕，使气路间隙保持在最小程度，从而降低燃油消耗率，提高发动机效率[28-32]，故要求封严涂层具有良好的可磨耗性。可磨耗性是指封严涂层与叶片发生刮擦时涂层的被磨耗能力，也称为“可刮削性”，是评价封严涂层性能的关键指标[20]。史朝龙等[3]对NiAl/BN涂层磨损机理进行了研究，发现磨损量和磨损机理均与其硬度有直接关系：硬度越高，涂层磨损量越少；当硬度从35HR15y提高至55HR15y时，涂层磨损机理从切削为主逐渐转变为以涂抹为主。Liu Y D等[33]对可磨耗Al/BN封严涂层与叶片之间的摩擦行为进行了研究，其中用于与封严涂层进行摩擦实验的叶片有喷涂Ni/BN、Ni/Si3N4磨料涂层及未喷涂涂层两类，通过对磨损涂层微观形貌和成分分析发现，涂有Ni/BN、Ni/Si3N4磨料涂层的叶片由于硬度和长度增加，在切削过程中加重Al/BN封严涂层的磨损，但同时磨料涂层可以抑制Al/BN涂层的材料转移或减少转移层的覆盖面积和厚度，有效延长叶片尖端的寿命，故与未喷涂涂层的叶片相比，Al/BN封严涂层在磨料涂层上摩擦时的耐磨性显著提高。文献[34]采用高速摩擦试验台研究了Ti6Al4V叶片和Al/BN封严涂层的摩擦行为，发现在高侵入速度和低侵入深度下，涂层向叶片的材料转移显著；同时对其摩擦行为的机理进行了探讨，结果表明，随着侵入速度的增加，Al/BN涂层的磨损机理从微破裂和切削转变为熔化和塑性流动。除了侵入速度，叶尖材料对封严涂层的磨损机理也有很大影响，文献[35]研究了叶片材料特性对Al/BN可磨耗封严涂层与叶片间高速摩擦行为的影响，发现叶尖材料不同，叶尖与涂层之间磨损机理也不同，对该现象进行深入研究发现，不同材料叶片的热性能是涂层粘附行为不同的原因，与叶片材料的机械强度没有显著相关性。

发动机工作时，进入发动机内部的高速气流及空气中的固体粒子会对封严材料产生强烈的冲刷作用，使封严材料产生冲蚀磨损。过量的冲蚀磨损会降低封严材料的封严效果，从而降低发动机的效率，因此封严涂层必须具有良好的抗冲蚀性能[36]。刘琦峰等[37]研究了三种含Al合金的封严涂层在不同角度下的冲蚀行为，发现冲蚀角度对涂层的冲蚀磨损行为特征有显著影响。低冲蚀角度(20°)时，涂层的磨损行为主要表现为显微切削和疲劳剥落；高冲蚀角度(90°)时，涂层的磨损行为主要表现为片状剥落。润滑相BN的加入不利于涂层抗冲蚀性。

近年来，国内外学者对封严涂层使役性能的研究逐渐从行为转向机理，这更有利于从根本上改善涂层的性能，尽可能避免涂层失效。上述研究表明：封严涂层的磨损机理受多方面因素的影响，包括材料本身与外部环境；主要磨损形式有粘着磨损和冲蚀磨损，且磨损机理随着实际工况的变化而变化。在封严涂层服役期间，摩擦副表面材料可能会与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起材料损失，即工作环境会造成腐蚀磨损的发生，但该方面的研究仍然处于空白。

2.2 Al/BN封严涂层的腐蚀研究

腐蚀伤害是目前飞机结构中除腐蚀疲劳所造成的裂纹外第二常见的损伤[38]。封严涂层腐蚀的种类有摩擦磨损腐蚀、应力腐蚀及电化学腐蚀等。前两者属于外力作用下的腐蚀，封严涂层作为牺牲性涂层，磨损是其难以避免的结果。在摩擦磨损腐蚀和应力腐蚀过程中，零件除了发生外形上的变化，还会发生其他各种物理、化学和机械性能的变化，目前针对该方面的相关研究较少，主要集中在对封严涂层电化学腐蚀行为的研究。航空发动机无论在工作状态还是在停放状态，其封严涂层体系均可能与周围环境介质及基体材料相互作用，使其自身发生电化学腐蚀，进而导致涂层的防护性能减弱甚至造成腐蚀失效[39]。电化学腐蚀主要由于不同材料之间的电位差和腐蚀介质的存在而引起，过程复杂，其间腐蚀产物的堆积以及微环境的变化都会对腐蚀过程产生影响。

盐雾腐蚀实验是目前国内对封严涂层腐蚀研究主要采用的方法，其通过模拟海水环境加速腐蚀。张峰等[40]通过电化学测试和盐雾腐蚀实验对包括Al/BN在内的三种封严涂层的盐雾腐蚀性能进行了研究，结果表明钛的添加和合金化使得涂层的腐蚀电位显著升高，耐盐雾腐蚀能力提高，TiAl/BN涂层在极化曲线测试过程中发生了明显钝化。岳阳等[41]利用电化学分析技术及中性盐雾试验等对Al/BN封严涂层的腐蚀行为进行研究，发现Al/BN作为阳极优先发生溶解，粘结层NiAl受到的腐蚀破坏很小。中性盐雾腐蚀后，Al/BN涂层表面出现类似凝胶状物质，XRD分析可知产物为白色无定形物Al2O3。除盐雾腐蚀外，也有相关学者对封严涂层进行自然环境下的腐蚀研究。宋佳等[42]对在自然环境中腐蚀后的Al/BN封严涂层的性能进行了研究，发现该封严涂层在热带海洋性气候中经自然环境腐蚀半年、一年后，外观无明显变化，可磨耗性能提升，抗冲蚀性下降；随着环境暴露时间的延长，腐蚀产物聚集，形成保护网，阻止了涂层内部风化疏松，故暴露一年的涂层较暴露半年的涂层抗冲蚀性有所回升。

电偶腐蚀是航空发动机可磨损涂层腐蚀破坏的主要形式，是由耦合的阴极材料通过电偶效应加速金属阳极溶解的一种腐蚀[38，43-46]。喷涂封严涂层的发动机机匣多为钛合金材料，由于钛合金基体和Al/BN封严涂层之间存在高腐蚀电位差，且封严涂层又是典型的多层多相多孔结构，腐蚀性物质会通过孔隙穿透涂层到达基体，从而导致严重的电偶腐蚀，甚至可能导致涂层脱落，对叶片造成严重的损坏。飞机在高湿度和高氯离子沉积速率的海洋大气中停靠时，电偶腐蚀尤为严重。目前飞机的停放时间逐渐增加，其在闲置期间的电化学腐蚀问题不容忽视[47]。文献[40]对Al/BN封严涂层的电偶腐蚀机理进行了研究，通过对实验结果的分析发现：在腐蚀过程中，面层(Al/BN)与带有粘结层(NiAl)的基体之间存在以Al/BN为阳极的电偶腐蚀，且Al/BN层中的Al基体由于电偶作用发生自发点蚀，BN相不参与腐蚀，Al/BN的点蚀机理与纯铝相同；腐蚀过程中有负差异效应的存在，负差异效应系数为13%。孙杰等[48]通过电化学测试对NiAl/AlBN封严涂层的腐蚀进行了研究，结果表明：二者之间存在电偶腐蚀，电偶腐蚀后，电偶对的阳极、阴极的自腐蚀电位均有所降低；随着腐蚀时间延长，Al/BN涂层的阳极防护性能逐渐减弱。文献[47]研究了以0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢为基体、Ni为中间层的Al/BN可磨耗密封涂层体系在氯化物溶液中的电偶腐蚀性能。结果表明，Al/BN涂层体系的阳极溶解过程分为三个阶段：电荷转移控制下的自发点蚀阶段、传质控制下的腐蚀发展阶段和最终的稳定阶段。Al(OH)3的析出限制了Al/BN层在阴极中的氧传递过程，导致Al/BN层被堵塞孔洞的局部酸化，并以此解释Al/BN层在三个浸泡阶段腐蚀性能的变化，最终得出多孔多层Al/BN可磨蚀涂层体系的电偶腐蚀主要受腐蚀产物沉积影响的结论。

3 结束语

大气等离子喷涂是目前封严涂层比较常用的制备方式，但喷涂过程中，钛合金易与环境气体发生反应导致涂层中含有钛的氧化物和氮化物，该部分物质作为杂质存在于封严涂层中，不仅会降低涂层中Al/BN的纯度，还会由于电位差的存在形成涂层内部的电偶腐蚀，使得封严涂层腐蚀加剧，加快其失效的速度，采用真空等离子喷涂可有效避免该问题，故未来研究方向为真空等离子喷涂技术。

目前国内外对于Al/BN封严涂层性能的研究主要集中在可磨耗性和抗冲蚀性，尤其对于高速刮削时的磨损行为和摩擦机理的研究较多，但对于叶片和封严涂层在摩擦时的涂层转移行为的研究还有待深入。近年来对于Al/BN封严涂层其他物理性能，如致密性、结合性能以及孔隙率的研究也有所增加。对于Al/BN封严涂层腐蚀方面的研究主要集中在腐蚀行为和耐蚀性两方面，封严涂层的腐蚀机理，特别是电偶腐蚀的研究较少，且多针对未磨损过的涂层，考虑到实际工况，对磨损后涂层的腐蚀研究更为必要，但国内外对该方面的研究几近空白，故磨损后涂层的腐蚀性能将是封严涂层的重要研究方向。