航空发动机涂层技术及应用

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1、航空发动机涂层技术及应用SurfaceCoatingTechnologyandApplicationforAeroengine中航工业北京航空制造工程研究所武洪臣高巍武洪臣自然科学研究员。等离子体物理专业理学博士。多年来一直投身于航空科研生产第一线。参加．负责多项科研生产及型号攻关任务。目前从事表面涂层工艺及技术研究。“九五”、“十五”、“十一五”先后负责“全方位等离子体源离子注入表面改性技术”，“电子束物理气相沉积技术”等大型预研课题及多项基金课题。获多项科技成果奖．并荣立集团公司个人一等、二等、三等功。2006年入选“5”人才工程”学术技术带头人．获得政府特殊津贴。在诸多涂层中，热

2、障涂层结构最为复杂，并且在高温工作环境中承担着重要角色。尤其是利用电子束作为热源的热障涂层沉积技术。在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用。工作性能的作用却十分显著。国外文献报道，有75％以上的航空发动机零件加有金属或陶瓷涂层以改进其性能和可靠性fl】。在当代先进应用技术如微电子、光学、航空航天领域中的作用也非常重要。同时，大多数涂层往往工作环境恶劣，承受着各种复杂的载荷(图1)【2】，因此如何延长涂层的工作寿命、提高相关性能始终是涂层制备工艺具有挑战性的课题。除喷漆和电镀以外，工业上所用涂层工艺可分为三大类：物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)和热喷涂(近几年也出现了

3、温度较低的冷喷涂)。每种工艺各有特点，可满足特定的工艺要求，如表1【3]所示。目前，工业上有几百种涂层用于各种结构工程材料的防腐、耐磨、润滑、隔热等功能。涂层通常指覆盖或涂敷于零件表面的一层特殊材料，广义上讲是增技术分类及应用材制造的特殊形式。涂层在材料或航空发动机不同部件由于工作工件上所占质量及体积比例虽然很环境的差别需要不同的涂层，按功能小，但其对提高材料性能、延长零件可以分为：热障涂层、高温抗氧化涂80航空制造技术·2013年第9期层、耐磨涂层、耐腐蚀涂层、抗冲刷涂层、封严涂层、抗微动磨损涂层、阻燃涂层、环境障碍涂层、憎水涂层、隐身涂层等。采用的技术主要有：电子束物理气相沉积、大

4、气／真空等离子喷涂、超音速火焰喷涂、冷喷涂、真空电弧沉积和磁控溅射等。各种涂层大概分类、功能、性能要求、制备方法与典型应用部件如表2所示。热障涂层在诸多涂层中，热障涂层(ThermalBarrierCoatings，TBCs)结构最为复杂，并且在高温工作环境中承担着重要角色。尤其是利用电子束作为热源的热障涂层沉积技术，在航空航天领域得到了广泛应用并发挥了巨大作用。正常情况下，TBCs可降低金属表面温度50—80℃，个别高温点降温可达140℃，并有望达到170℃，TBCs涂层的使用，可提高推重比5％(或降低1％的燃料消耗比)，同时可降低热疲劳、提高可靠性。热障涂层的隔热效果主要取决于陶瓷

5、表2航空发动机涂层技术及应用耐高温燃气冲击且有隔热功能，提高部耐高温、热导率低、耐热应力、抗热EB．PVD、等离子喷涂、热障涂层燃烧室、涡轮叶片、尾喷管件使用温度和寿命冲击和热循环多弧离子镀(底层)减小气体泄漏、降低油耗，提高压气机抗热震性能、抗氧化性能、足够的封严涂层结合强度、优良的可磨耗性能及抗等离子喷涂、冷喷涂压气机机匣、涡轮外环和涡轮效率气流冲刷性能耐磨，耐蚀，抵御空气中的尘埃、水滴和沙粒等在高速气流作用下对风扇，压气机叶片的硬度高、抗腐蚀、涂层结合力高多弧离子镀、磁控溅风扇叶片、压气机叶片、耐冲刷涂层射、等离子喷涂轴、轴承、燃油泵柱塞冲蚀及海洋环境对部件的腐蚀高温抗氧化化学气

6、相沉积、等离子涂层抗高温氧化，提高部件使用寿命抗高温氧化、耐腐蚀涡轮叶片喷涂抗微动磨损承受表面反复加载和卸载周期性应力压气机，涡轮叶片榫头和而阻止或减少基体零件蠕动腐蚀或表良好的韧性和结合强度、抗氧化、等离子喷涂、多弧离子涂层耐腐蚀镀榫槽、紧固件连接部位、摩面疲劳损伤擦副结构阻止摩擦热的积累，有效延缓或阻止燃燃烧热值低、抗氧化、导热性好、可等离子喷涂、多弧离子阻燃涂层压气机叶片、压气机机匣烧的进展磨耗、摩擦系数低、较高的硬度镀环境障碍涂阻止或减小发动机环境对高温结构材高温和发动机环境稳定性；耐热应力及机械应力；热导率低；热和环等离子喷涂、化学气相陶瓷基复材构成的涡轮叶层料性能的影响沉积

7、、EB-PVD片、喷嘴、喷管境防护性能通过制备超疏水结构的涂层，使涂层与进气机匣、帽罩、发动机进憎水涂层水的接触角变大，从而达到防止结冰的结合强度高、接触角大多弧离子镀、磁控溅射气道、桨叶、翼面前缘、垂作用尾隐身涂层红外隐身、雷达隐身吸收雷达波、热发射率低等离子喷涂尾喷管高粗糙结构不均匀，往往产生微孔、非粘结界面、晶粒间界、夹杂等缺陷层状结构冷却通道易堵塞2000MP8，机械结合，弱短低，O．8～1．1w／(m·K)适中光滑结构均匀、致密柱状晶