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航空发动机到底用到了多少种涂层?

国际金属加工网 2022年05月11日

导语

涂层技术(Coating Technology)在当今航空发动机中已经获得了广泛应用,主要用来延长发动机零部件的使用寿命,在很长一段时间里,国内对涂层技术是存在质疑的。一方面是对涂层的功能性吃不透,设计有偏差;另一方面,涂层的关键性能不达标,起不到功能性作用。

欧美无论是军用还是民用航空发动机动辄几千小时、甚至上万小时的首次翻修寿命已经告诉我们,涂层在这之中发挥了不可取代的作用。那么,就让我们来看看航空发动机到底用到了哪些涂层?

※“脆弱”的涂层——易磨涂层

易磨涂层(Abradable Coating),是发动机叶尖封严系统的一部分,也叫“封严涂层”。通常应用于机匣零件中的跑道面,主要作用是减少叶尖碰磨损伤。由于易磨涂层需要跟叶尖进行对磨,为了保护叶尖,易磨涂层一般硬度小,结合力差,从而能够保证叶尖在大服役状态碰上时,能够有效地刮削涂层。

根据不同的服役温度环境,易磨涂层的材料分为压气机部分的AlSi-聚酯、AlSi-BN、NiCrAl-膨润土和涡轮部分的NiCrAlY以及陶瓷涂层等。工艺上根据不同的材料,会使用到火焰喷涂、等离子喷涂以及超音速火焰喷涂等工艺。

※“坚硬”的涂层——耐磨涂层

既然有“玻璃心”涂层,那肯定也有“勇敢的心”——耐磨涂层(Wear Resistant Coating),主要应用于需要防止摩擦磨损以及冲击磨损的发动机零部件,例如轴类零件、W封严环以及低涡叶片缘板的配合面。当然,在蜂窝封严系统中,也存在着耐磨涂层,用来防止篦齿的齿尖发生磨损。还有一种耐磨涂层,多用于军用航空发动机的压气机叶片,用来面对恶劣环境下的抗冲蚀磨损。

耐磨涂层的材料种类也是多种多样的,轴类零件多采用WC-Co涂层,封严环以及缘板配合面采用CoMoCrSi涂层,篦齿采用Al2O3-SiO2涂层,而抗冲蚀多采用TiN涂层。工艺上,TiN涂层采用物理气相沉积(PVD)工艺,其他耐磨涂层多采用等离子或者超音速喷涂工艺。当然,对于CoMoCrSi涂层现阶段多采用堆焊工艺。

※“耐热”的涂层——热障涂层

热障涂层(Thermal Barrier Coating)大概是近十年来研究※火热的航发涂层种类了,应用于航空发动机的热端零部件,主要面向燃烧室以及高压涡轮。其作用就是降低零件表面温度,从而使零件维持高温下应有的力学性能。热障涂层由粘结层和面层构成,粘结层的作用主要是防止零件基体氧化和腐蚀,而面层的主要作用在于提供隔热效果。因此,在低压涡轮叶片上,粘结层也可以单独使用,从而只提供抗氧化腐蚀性能。

粘结层有热喷涂类的MCrAlX以及扩散类的NiAl/NiPtAl类型,而面层现如今依旧多采用8YSZ(8%Y2O3 stabilised ZrO2)材料,工艺针对不同零件分为等离子喷涂和电子束物理气相沉积。

随着陶瓷复合材料(CMC)在航空发动机中得到越来越多的应用,环境障涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)将会取代一部分热障涂层,成为另一种在热端部件使用的高端涂层技术。


(乘风航空)

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