航空发动机上应用的先进防护涂层

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1、航空发动机上应用的先进防护涂层　　摘要：本文主要介绍了包埋渗透法、非接触式渗、和化学气相沉积（CVD）等几种铝化物扩散涂层的沉积方法，并阐述了制备耐热涂层和耐侵蚀、腐蚀涂层的主要工艺特点。　　关键词：包埋渗透法；非接触式渗；化学气相沉积；耐热涂层　　中图分类号：TG174文献标识码：A　　1.简介　　现代发动机在结构和技术上的进步引领了新型涂层的发展并对以前应用的涂层进行了改良。发动机的前半部分即冷却端，包括风扇和压气机，典型应用耐磨蚀涂层和密封涂层。就现代发动机来说，像风扇叶片、压气机叶片和叶轮

2、等这种冷却端零部件，都是由复合材料、钛铝合金、钛和耐热钢制造而成。但在发动机的受热端，包括燃烧室区域和涡轮部分，应用的是热障涂层（TBCs）和高温密封涂层。本论文的目的是展示作者本人在铝化物扩散涂层、热障涂层和耐侵蚀、腐蚀涂层方面的研究。　　2.铝化物扩散涂层沉积方法6　　要增强涡轮零部件尤其是动、静叶片和燃烧室的耐久性和提高服役温度，可以通过应用防护涂层来实现。高温合金零部件对各种涂层的需求导致涂层在30多年来的应用中迅猛发展。涂层的演变同时还伴随着结构材料的发展。现如今，工程师和制造师有多种涂

3、层沉积技术可供使用，能制备出黏结、扩散和粘扩散涂层，其中大多数都是由通用技术发展改进的，例如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）或热喷涂技术。　　2.1包埋渗法　　扩散涂层主要在扩散渗铝过程中，或在渗透复合物Al-Cr、Al-Si、Pt-Al、Ti-Al过程中沉积而成。在粉末渗透过程中，将待涂镀零件置于特定容器内，然后用专用的粉末混合剂将零件包埋，该混合剂含有像Al2O3、铝化物粉末或合金以及化学活化剂等中性添加物。接下来将容器密封好置于炉内，化学活化剂在700℃～1050℃的限定工艺温

4、度范围内会产生输送蒸汽源。扩散渗铝工艺以这种方式通常持续工作长达20个小时，并要严格控制以防止粉末混合剂氧化。要获得不同厚度或Al浓度的涂层可采用多种类粉末工艺。所说的多种类粉末可以分为高度、中度和低度活化粉末。在铝化物涂层沉积过程中，在高温约1050℃下生成低铝含量NiAl相（低活性过程），而在700℃下则生成高铝含量NiAl相（高活性过程）。　　2.2非接触式渗6　　非接触式渗是将待渗零件置于容器内，避免其与粉末混合剂相接触，该混合剂通常呈颗粒状。此工艺过程是在甑式炉或真空炉内完成的。在整个涂

5、层沉积过程中需向容器内供应额外的中性运载气体，以输送出沉积涂层时产生的混合气体。现有几种不同的非接触式渗透法正在被应用，包括负压渗透工艺、由SNECMA研发的脉冲气相渗铝工艺以及用两种不同化学成分的混合物进行的渗透工艺似乎最具吸引力。该方法的主要益处如下：无需待渗材料与粉末接触，这一点能显著提高涂层的表面质量；可对整个工艺过程实施更多的控制；工艺过程更加整洁（与粉末工艺相比）；以及铝化物涂层可以通过添加元素进行改良以提高其耐热性能。图1所示为铂改良铝化物涂层的显微结构，该结构是在镀铂和镀铝过程中获

6、取的。　　铂改良铝化物涂层能提高耐热性能，已在1100℃下1小时循环的试验室抗氧化循环试验中得以证实。　　2.3CVD渗铝技术　　化学气相沉积技术由上述铝化物扩散涂层沉积技术演变而来。化学气相沉积过程中将涡轮叶片置于甄内，并向甄内供应在外部反应器内生成的AlCl3+H2气体。AlCl3气体是在含有铝化物的受热生成器内与HCI发生反应后形成的。然后预热AlCl3+H2，在温度约达1000℃时供应到甄内。装有气体的化学气相沉积甄通常在钟罩式炉、均热炉或升降式炉内加热到工作温度。存留在甄内的反应气体用特

7、殊气体中和系统进行处理。渗铝法能同时涂覆涡轮叶片的内外表面，尤其是冷却通道，该区域用其他涂覆方法就比较难处理。除此之外，应用该工艺还可以调节冷却率，这对几种铸造高温合金热工作参数的计算至关重要。　　3.热障涂层制备工艺　　由于燃烧室零部件和动静叶片上采用热障涂层，所以进口温度可以有所增加。与涂有陶瓷涂层的材料表面温度相比，采用热障涂层能使所应用的高温合金表面温度降低170℃左右。此外，热障涂层能降低必需的冷却空气量，同时能保持恒定的排气温度，而且能显著提高零部件的耐久性和抗热变能力。　　热障涂层是

8、由含有ZrO2xY2O3的陶瓷面层和含有MCrAlY（M=Ni，Co，Fe）的黏结层构成的。较低的导热性再结合陶瓷材料的特性能降低黏结层之上的层间温度，这就能使热障涂层的抗氧化性和抗高温腐蚀性有所提高。6　　最通用的热障涂层制备技术有APS（空气等离子喷涂）、LPPS（低压等离子喷涂）或EB-PVD（电子束物理气相沉积）。热喷涂技术通常用来制备燃烧室零部件及静叶片上应用的TBCs（热障涂层），而动叶片上应用的热障涂层一般采用EB-PVD技术制备。　　用空气等离子喷涂技术和EB-PV