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1、表面涂层技术在航空发动机中的应用周志伟南京航空航天大学材料学院表面涂层技术在航空发动机中的应用1.1航空发动机简介1.1航空发动机分类涡轮喷气发动机涡轮风扇发动机涡轮螺旋桨涡轮轴（直升机）燃气涡轮发动机活塞式发动机其他类型发动机1.2航空发动机结构1.2航空发动机结构涡轮喷气发动机结构图涡轮风扇发动机结构图涡轮轴发动机结构图2.航空发动机表面涂层技术分类热喷涂涂层在飞机发动机中的应用示意图保护涂层封严密封涂层橡胶涂层热障涂层2.航空发动机表面涂层技术分类2.1保护涂层管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件
2、直接和大气接触,容易受到大气中水分、尘埃、盐、二氧化硫的侵蚀。涡轮叶片和燃烧室受到高温燃气冲刷,在热应力以及燃气中S和O元素的作用下发生化学反应，最终造成微损伤,会产生微裂纹,微裂纹扩展可导致构件断裂。主要保护部位抗磨、抗冲击涂层：叶片榫头和盘榫槽之间涂的耐磨涂层高压压气机叶片型面上的有机硅耐磨涂层压气机叶片阻尼凸台上的叶片振动涂层涡轮叶片防热盐涂层涡轮叶片叶冠接触面硬质合金耐磨涂层抗磨、抗冲击涂层等保护涂层可对构件起到改善工作条件、提高可靠性和延长使用寿命的作用。封严涂层为限制转子、静子之间的间隙,不使气
3、流泄漏,在静子、转子叶片或封严蓖齿上涂覆软、硬涂层,用磨损涂层的方法来保持封严。密封涂层有的静子叶片是插入静子内环的,二者的间隙造成气流损失,这时可采用密封涂层封住,这要求密封涂层耐温、抗振、柔软,长期不老化。可磨耗封严涂层发动机的压气机或涡轮机的机匣上，Ni-石墨、Ni-PTFE等减摩复合涂层。2.2密封封严涂层部分封严、密封涂层的概况部分封严、密封涂层的概况叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动。航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负荷状态，在振动作用下最易被破坏。2.3橡胶涂层橡胶涂层
4、属于高弹性分子材料,振动时可吸收能量,有明显的阻尼作用,其密封性好,使用寿命长,且容易更换,便于维护。在叶片结构设计上采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施。采用橡胶涂层,即将橡胶涂层涂于压气机叶片燕尾槽底部,然后将叶片装入压气机盘的燕尾槽内。减振措施部分橡胶涂层概况2.4热障涂层热障涂层(ThermalBarrierCoating)是一层复合涂层，它沉积在耐高温金属或超合金的表面，热障涂层对于基底材料起到隔热作用，降低基底温度，使得用其制成的器件(如发动机涡轮叶片)能在高温
5、下运行，并且可以提高器件(发动机等)热效率达到60%以上。现代航空发动机的涡轮进口温度高达1650～1750℃,但第三代单晶材料只能承受1100℃的温度;用复杂的气冷方式,冷效也只有400℃左右,还有100～200℃的差距,只能靠发展热涂层技术来解决这一问题。热障涂层在燃烧室中的应用已有30多年历史,近年来,热障涂层已成为涡轮叶片设计和维护的关键技术之一。部分热障涂层的概况压气机燃烧室涡轮叶片其他部件3.航空发动机主要部件所用涂层及其工艺热喷涂热扩渗等离子喷涂电子束气相沉积表面合金化磁控溅射真空电弧离子镀3
6、.1压气机叶片直接与大气接触，腐蚀环境较差；后几级叶片接近燃烧室工作温度较高。WZL涂层Ni~Cd（镍-镉）扩散镀层Al2S低温渗Al复合涂层叶片榫头防护涂层钛合金表面合金化阻燃技术3.1压气机叶片目前,压气机叶片采用的防护工艺WZL涂层属于中温防护涂层,通常为导电涂层,也就是通常所说的牺牲性阳极防护涂层,对钢叶片具有优越的电化学腐蚀防护能力。WZL~8是一种由复合盐组成的涂料,具有良好的渗透性和结合力,形成涂层后,可改善涂层粗糙度,具有更高强度和硬度,抗气流冲刷能力明显提高。因此,在压气机叶片上采用WZL
7、底层+WZL~8封闭面层形成的复合涂层是一种较理想方法。WZL涂层Ni~Cd镀层是在叶片上先镀上8～12μm厚的Ni层(作为不锈钢基体的阴极保护层),再在上面镀3～5μm厚的Cd层。在350℃温度下进行1h扩散处理,形成Ni~Cd合金层和γ~Cd4Ni金属间化合物。该合金对不锈钢基体来说为阳极合金镀层,具有牺牲性阳极保护能力。Ni~Cd扩散镀层Al2S涂层分两步进行：先进行低温渗铝,而后再涂硅酸盐。渗铝层为叶片基体提供牺牲性阳极保护,硅酸盐涂层为障碍性隔离保护涂层。从工艺技术来看,它是由热处理渗层和表面涂层
8、相结合的复合防护层,具有很高的防腐蚀能力,已在国内外得到普遍应用。Al2S低温渗Al复合涂层为了提高叶片榫头的可靠性,目前广泛采用保护涂层或镀层。我国某涡喷系列发动机的钛合金转子叶片榫头采用镀银;某涡扇发动机的钛合金风扇叶片榫头采用干膜润滑剂,钛合金转子叶片榫头也采用镀银;我国某型涡扇发动机高温合金转子叶片榫头采用喷丸强化。叶片榫头防护涂层钛合金表面合金化阻燃技术航空燃气涡轮发动机，钛合金用作旋转部件时，容易发生
