排列五走势图100期:【行業動態】航空發動機葉片葉尖涂層的研究進展

排列五走势图分析 www.cpowyc.com.cn  0 前言

   隨著航空工業對渦輪發動機的推力、推重比及燃油效率的要求越來越高,發動機的進口溫度和燃氣壓力逐漸增大,發動機的壓氣機及渦輪葉片部分服役環境更加惡劣,特別是葉尖部分。在這種惡劣環境下,要求所使用的葉片金屬材料( 鎳基、鈷基高溫合金,單晶高溫合金,鈦合金等) 既要有優異的高溫力學性能( 蠕變性能、持久性能、疲勞性能、韌塑性能等) ,又要具備良好的抗熱腐蝕、抗氧化、抗磨損等性能,然而這兩者難以兼顧。為了提高發動機葉片的高溫性能,科研工作者一方面致力于提高高溫合金的耐熱性能,如目前已研制出的第四代鎳基單晶高溫合金承溫能力已達1180 ℃; 同時采用先進的氣膜冷卻技術,如葉片冷卻氣膜設計及制造工藝的改進,能使葉片表面溫度降低300~500 ℃。據報道,目前已發展到第五代高溫合金,每代高溫合金的提升溫度為30 ℃,提溫速度緩慢,顯然不能解決這2 個問題。因此,在另一方面,科研工作者致力于研究高溫合金的防護涂層。


   近年來,國內外對葉片防護涂層進行了深入研究,獨特設計理念的新型葉片高溫防護涂層的報道越來越多,但是對于葉尖部分的防護涂層報道較少。涂覆在葉片葉尖表面的封嚴涂層材料,特別是應用于800 ℃以上高溫段的葉片,承受的工作應力和溫度較高,同時應力和溫度的變化也比較頻繁和劇烈,還存在腐蝕和磨損問題,對磨的氧化鋯基、MCrAlY 基可磨耗封嚴涂層較低溫段可磨耗封嚴涂層硬度相對較高、潤滑性相對較差。葉片葉尖的服役環境較葉身要惡劣得多,對材料的綜合使用性能要求也要高得多,葉尖涂層還需做進一步的深入研究。本文分析了葉片葉尖損傷的原因,在此基礎上總結了航空發動機葉片葉尖高溫防護涂層的性能要求。對國內外多種設計理念的葉尖防護涂層進行了闡述,綜述了葉尖涂層最新研究進展,提出了目前葉片高溫防護涂層存在的問題并展望了其發展趨勢。


  1 葉尖失效方式及性能要求

   1.1 失效分析

   1.1.1 裂紋及磨損

   葉尖部分的磨損及裂紋是其常見的失效形式之一,如圖1 和圖2 分別是某型發動機葉尖裂紋顯微形貌和磨損形貌。柴志剛等對某渦輪發動機I級渦輪葉片葉尖涂層剝落進行了失效分析。經宏觀顯微鏡和電子顯微鏡觀察后,發現有2 片葉片葉尖排氣邊涂層剝落,剝落厚度最高達1 mm。葉盆側涂層基本剝落,斷口整齊,殘留少量涂層且邊緣粗糙。有的葉尖涂層雖然未剝落,但是涂層局部區域鼓起,有裂紋產生。初步分析,涂層剝落主要由燒蝕引起,葉片工作時的超溫現象導致了葉尖處基體γ‘相粗化。根本原因是發動機在大修試車過程中T3 溫度超溫。此外,葉片葉尖會與機匣發生瞬時摩擦,導致涂層的磨損。史文軍等分析某機型低壓壓氣機葉尖摩擦故障時發現,零件制造、發動機工作及環境因數的影響會導致機匣產生局部變形,引起葉片和機匣之間的間距減小,導致機匣和葉尖發生瞬時摩擦使葉尖受損。

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   1.1.2 熱腐蝕和氧化

   熱腐蝕和氧化也是葉尖受損的重要原因。徐建等發現葉尖表層材料的腐蝕和氧化會導致葉尖裂紋的形成。在分析某型航空發動機高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋產生原因時,指出葉尖裂紋的形成與擴展是環境因素和熱應力復合作用的結果,先產生腐蝕后形成裂紋: 首先涂層表面發生衰變并形成局部腐蝕坑,在熱循環過程中起缺口效應,形成微裂紋; 裂紋出現后,氧化物和碳化物等腐蝕產物在微裂紋內部形成并如“釘子”一樣深入到金屬內部,形成“釘扎效應”;在循環應變下對裂紋尖端處造成附加應力,使裂紋進一步擴展。這一熱腐蝕過程使裂紋面氧化增寬并且材料晶界腐蝕為分叉裂紋提供核心,并在熱應力作用下擴展。


   1.1.3 擴散退化

   擴散會引起涂層的退化,特別是對于高溫下工作的葉尖涂層,涂層和涂層之間、涂層和基體之間會發生擴散,最終導致涂層失效。以航空發動機葉片熱障涂層為例,如圖3 為1 種熱障涂層及其在1 100 ℃高溫下經100 h 氧化后的截面形貌。金屬粘結層表面有1 層熱氧化生長層( TGO) 產生,并且金屬粘結層和基體金屬之間的互擴散導致基體內部形成了二次析出相( SRZ) 。

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   1.2 葉尖防護涂層性能要求

   葉尖涂層主要有2 個作用: ( 1) 作為封嚴涂層,減少葉片和機匣之間的間隙,提高氣密性,從而保證發動機的效率; ( 2) ?;ひ鍍?。根據對發動機葉片葉尖失效原因的分析,對葉尖涂層提出以下性能要求。


   1.2.1 優良的抗熱腐蝕和抗高溫氧化性

   航空發動機渦輪葉片和壓氣機葉片通常使用力學性能優良的高溫合金,如鎳基高溫合金、鈷基高溫合金等。雖然葉片基材在高溫高壓下具有優良的力學性能,但是易于受到高溫氣體的氧化作用和嚴重的熱腐蝕。一旦高溫合金暴露于此種惡劣的環境下,葉片極易受損失效。因此,在高溫環境下,要求葉尖表面能形成完整而致密的?;つ?,使高溫合金基體免受高溫氧化和腐蝕。


   1.2.2 界面穩定性

   ( 1) 在高溫下,薄膜和基體的力學性能以及界面狀態都會發生一定的變化,其匹配性必須得到充分考慮。


   涂層的組織結構穩定,使用過程中不易發生相變退化,并且在與基體的界面處不形成有害相( TCP 相) 。


   ( 2) 高溫防護涂層與基材之間的互擴散可導致涂層退化以及基材中脆性相的產生,從而造成涂層/合金體系高溫抗氧化性能和力學性能的下降。將傳統的高溫防護涂層如Pt 改性鋁化物涂層或MCrAlY 包覆涂層應用于鎳基單晶高溫合金上時,涂層和基體發生了互擴散,在基體/涂層界面生成了二次析出相( SRZ) 有害層。所以防護涂層應具有擴散阻擋性能。


   1.2.3 高溫耐磨性

   封嚴涂層技術是提升發動機性能的重要氣路封嚴技術之一。為了保證渦輪效率,需要減小葉尖和機匣之間的間隙,一般在機匣內表面和葉尖部分都制備了封嚴涂層。由于飛行中瞬態載荷或機動過載等原因,通?;嵋鷂新忠都餼斷蚣湎噸樅凰跣?,葉尖與機匣接觸,發生干涉磨擦。為了防止涂層磨損失效而導致間隙增大,甚至暴露葉片基材,涂層需要有優良的高溫耐磨性能。


   1.2.4 抗熱震性

   涂層與金屬基材的熱膨脹量不匹配,受熱時涂層內將產生內應力,當涂層所經受的循環應力幅高于涂層的疲勞強度極限時,涂層內將產生裂紋。涂層熱震失效的本質為循環應力作用下的疲勞失效,其失效過程包括裂紋形成、擴展及最終剝落3 個階段。發動機葉片工作情況是一個高溫低溫反復循環的過程,為防止涂層和金屬基材線膨脹系數之間的差異,導致在溫度劇變時涂層剝離和破壞,要求葉片涂層尤其是葉尖部分需要具備優良的抗熱震性能。


   2 單層涂層

   直接應用于葉尖的單層結構高溫防護涂層比較少見,復合涂層及層狀結構涂層應用較多。單層涂層在某一性能上特點突出,但綜合性能有所欠缺,研究此類涂層對復合涂層及多層涂層的研究具有參考意義,可做為復合及多層涂層的一部分。


   2.1 鋁化物涂層

   早在1911 年,有研究者提出了采用粉末包埋法( pack cementation) 制備鋁化物涂層———滲鋁涂層。作為第一代高溫防護涂層,滲鋁涂層具有良好的抗氧化性能,以鎳基高溫合金為例,發揮其性能作用的是β -NiAl 化合物相。涂層的制備方法還包括熱浸滲鋁( hotdipcoating) 、料漿滲鋁( slury coating) 、化學氣相沉積( CVD) 滲鋁等。從20 世紀50 年代開始,滲鋁涂層被大量應用于鎳基和鈷基高溫合金渦輪葉片及導向葉片,有效提高了葉片的抗氧化性能。


   傳統的熱擴散鋁化物涂層制備技術( 如粉末包埋、料漿擴散法和化學氣相沉積等) 存在涂層有害元素摻雜和有毒氣體釋放等問題。沈明禮等研發出顛覆傳統的“綠色”滲鋁技術,獲得了亞微米級超細晶β -NiAl 滲層,其抗高溫氧化性和抗熱腐蝕性能超越了傳統的滲鋁工藝所制得的涂層,并且作為?;ね坎憧捎τ糜諍嬌輾⒍鍍?。


   滲鋁涂層抗氧化性能好,可應用于發動機葉片葉身,但是不能滿足葉尖部分的使用要求,并且涂層還存在一些缺點,王俊一發現,此類涂層脆性大,易開裂和剝落; 涂層/基體易發生互擴散,涂層性能退化速度快; 富鎳的NiAl 相易發生馬氏體相變; 不耐硫化和熱腐蝕等。


   2.2 改性鋁化物涂層

   為改善單滲鋁涂層的性能,張忠禮通過多元共滲,制得了改性的鋁化物涂層,即在單滲鋁的基礎上,在鋁化物涂層中加入鉻、硅、鉑及稀土元素等,達到改善其性能的目的。


   Cr 元素的加入可以明顯提高涂層的抗熱腐蝕性能,減緩涂層和基材之間的互擴散,避免涂層的退化,同時能促進Al 的選擇性氧化形成Al2 O3膜。王占考等利用化學氣相沉積( CVD) 法在單晶高溫合金基體上制備了鉻改性鋁化物涂層。鉻改性涂層在1 000℃下高溫氧化200 h 內涂層保持良好的表面形貌,但在300 h 后出現脫落。


   涂層中加入適量的Si 比加入Cr 有更好的抗高溫氧化性能,能減緩涂層和基材之間互擴散引起的的退化,并且對其抗熱腐蝕性能提高也有一定作用。劉磊等利用CVD 在Inconel 718 鎳基高溫合金表面制備了120 μm 厚的Si 改性鋁化物涂層。進行1 100 ℃高溫氧化試驗后發現,所獲得的Si 改性鋁化物涂層在氧化增量階段比單一鋁化物涂層增量小,說明Si 的加入改變了試樣表面的氧化機制,有效促進了表面Al2O3氧化膜的形成,同時抑制了Fe、Cr 等合金元素的氧化。


   Pt 的加入可以提高α -Al2O3膜的抗剝落和自愈能力,增加鋁化物涂層的組織穩定性,降低涂層與基體之間的互擴散[25]。戴建偉等[26] 采用化學氣相沉積( CVD) 方法在單晶高溫合金基體上制備了鉑改性鋁化物涂層,研究了其高溫氧化行為,并與單一滲鋁涂層進行了對比。結果發現Pt 元素的加入既可減緩β→γ’的相變速率,又可有效阻擋基體中難熔金屬元素的外擴散行為,保證了高質量α -Al2O3?;つさ納?。


   利用稀土的活性元素效應可以改善涂層的抗氧化性、抗硫化性和熱疲勞性能。劉得波等研究了稀土La 對滲鋁涂層的表面改性和作用機理。分析發現,La元素的加入可以促進滲鋁過程,并且能細化滲層的組織,提高表面質量。在高溫氧化過程中,滲鋁涂層表面形成了致密的氧化膜,氧化增重速率降低,涂層的抗高溫氧化性能提高。Zhang 等利用傳統的粉末包埋法,將Y2O3 /CeO2部分代替Al2O3,在鎳基表面制備了改性鋁化物涂層。在1 000 ℃的循環氧化下,Y2O3對θ -Al2O3的生長起抑制作用,CeO2對θ -Al2 O3相向α -Al2O3相的轉化起促進作用,最終的效果都是提高了涂層的抗氧化性能。


   改性鋁化物摻雜了不同的元素,其性能具有一定的差異,主要是為了提高抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕性能,雖然涂層的耐磨等性能有所欠缺,但是可作為金屬粘結層應用于葉尖雙層結構耐磨涂層。


   2.3 MCrAlY 包覆涂層

   MCrAlY 包覆涂層最早于20 世紀60~70 年代發展起來的,如今已經發展成一系列涂層體系,其中M 為Fe,Co,Ni 或者它們的組合。其中Al 是用來形成?;ば緣難躉?,Cr 可以改善涂層的抗熱腐蝕性能,同時也能促進Al2 O3的形成,釔元素可以提高涂層的黏附性。此外,涂層中還可以加入Hf、Si、Ta、Re、Zr、Nb 等元素對涂層進行改性,以滿足特定的性能要求。包覆涂層與擴散涂層的區別是涂層只和基材相互結合,基材不參與涂層的形成,因此,涂層的成分具有更多的選擇性。MCrAlY 是一種比較理想的涂層,同時具有抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能,還有很好的韌性和抗疲勞強度,因此,可以應用于葉尖防護涂層,如早期普惠公司JT9D-70 發動機的第1、2 級葉片采用了等離子技術在葉片上涂覆了MCrAlY 涂層。


   Hu 等運用激光熔覆的方式將改性MCrAlY 沉積到某種渦輪葉片葉尖端面,使沉積厚度高于預定尺寸,然后進行葉尖加工至精確尺寸。改性的MCrAlY 涂層與高溫合金基體之間形成了冶金結合,結合強度高并且抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕性能得到了提高。


   2.4 高溫微晶涂層

   王?;岬?研制出了一種全新的高溫防護涂層———微晶涂層。大多數高溫防護涂層的特點是涂層與基體合金的組成材料不同,高溫環境下,涂層和基體間界面發生擴散,易產生對抗氧化性能和材料力學性能有害的脆性相,還可能改變涂層的成分,引起涂層的性能的退化。而微晶涂層的成分與基體合金完全相同,因此可以避免此類現象。


   侯少軍利用多靶磁控濺射法在鎳基單晶高溫合金表面制備了β -NiAl 微晶涂層,晶粒的大小為300 nm~1 μm。在經過1 100 ℃下恒溫氧化和循環氧化的測試后,與傳統的電弧離子鍍NiCrAlY 涂層做了對比,發現微晶涂層表面只生成單一的α -Al2O3氧化膜且氧化膜連續、生長緩慢、黏附性好,涂層具有很強的自愈能力,經200 h 循環氧化涂層表面沒有明顯脫落,而NiCrAlY涂層在循環氧化的過程中出現了脫落,并且微晶涂層中涂層/基體界面下方沒有觀察到明顯的SRZ 或TCP 相形成,說明微晶涂層具有良好的抗高溫氧化性能。另外,Shin 等在鎳基單晶高溫合金表面利用脈沖激光制備了鎳基高溫合金薄膜,隨著脈沖能量和基體溫度的上升,薄膜內出現了明顯的強化多晶結構并且薄膜表面平整。


   2.5 陶瓷涂層

   陶瓷涂層耐熱性好,不易發生腐蝕氧化、硬度高且表面致密。應用于發動機葉片葉尖的陶瓷涂層能提供優異的高溫防護性能。Bintz 等在葉尖金屬表面鍍覆了一層陶瓷薄膜( 包括TiN、TiAlN、Al2O3、BN、SiCN、TiCN、TiO) 。此涂層可以避免對于不同基材的葉片采用不同的陶瓷涂層,如鋁合金葉片。氧化鋁涂層更適合Ti 合金葉片,可以使用氧化鈦或者氮化鈦涂層。涂層可以采用物理氣相沉積或者料漿法制備,制得的涂層對葉片基體起到了很好的?;ぷ饔?。


   3 復合涂層

   包括金屬與陶瓷顆粒的復合涂層,層狀復合涂層及層狀與顆粒的復合涂層。一般單一結構涂層對葉尖某一性能具有提升作用,但對于葉尖高溫防護而言遠遠不夠,相比單一結構,復合涂層在提升葉尖綜合防護性能方面具有更大的優勢。


   3.1 金屬/陶瓷顆粒復合涂層

   葉尖涂層不僅需要足夠高的抗高溫氧化性及抗熱腐蝕性能,還需要很高的耐磨性能。復合涂層一般由耐磨微粒材料和抗氧化的合金基質材料組成。耐磨微粒通常為硬質陶瓷顆粒,如碳化鎢、氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻、立方氮化硼、碳化硅等碳化物或氧化物陶瓷材料,或者金剛石等硬度較大的材料。這些微粒通常為納米級或者微米級,或者兩者混在一起使用。復合涂層中的硬質顆??梢醞ü婦炕?、彌散強化、位錯強化等作用來實現復合涂層的結構強化; 在葉尖與機匣封嚴涂層的對磨過程中,硬質顆??啥醞坎閆鸕揭歡ㄖС拋饔?,并且可利用突出于涂層表面的顆粒的超強硬度和不規則邊角對機匣封嚴涂層起到刮削作用,能清除磨削,減緩粘性磨損; 硬質顆粒在摩擦過程中還可以抵抗塑性變形、阻礙磨料運動及終止磨痕擴展等作用。關于耐磨粒子的嵌入涂層的方式目前有2 種思路,( 1) 顆粒在涂層內部,主要發揮其支撐和強化涂層的作用,使涂層的硬度和耐磨性得到提高,另一種是顆粒子露出涂層表面,這樣的好處是露出硬質顆粒頂部可以切入機匣封嚴涂層,不僅能使涂層耐磨性能提高,也能進一步減小葉尖機匣之間的間隙,Allen提出了在葉尖表面制備具有切削功能的涂層,該涂層表面排列無數“金字塔”狀的耐磨尖端,在葉片工作時,能切入機匣涂層,減小間隙提高效率。


   應用于葉尖的復合涂層要同時兼顧高溫耐磨、抗高溫氧化與抗熱腐蝕等性能。所以,研究者提出利用耐磨陶瓷顆粒與MCrAlY 包覆涂層進行復合,這樣制得的涂層不僅能保留包覆涂層的高溫性能,而且能提高其耐磨性能。胡澤祥等利用激光熔覆技術在純鈦表面制備了NiCoCrAlY/HfB2復合鍍層,所制得涂層的平均顯微硬度約為850 HV2 N,涂層與基體呈冶金結合,涂層具有較好的高溫耐磨性能。同樣,Guo 等利用激光熔覆技術在純鈦表面制備了NiCoCrAlY/ZrB2復合涂層,研究發現相對于單一的NiCoCrAlY 涂層,NiCo-CrAlY/ZrB2復合涂層具有更好的微觀硬度和高溫耐磨性能。


   目前,國外關于單層復合涂層應用于葉尖部分已有相關報道。Liu 等利用冷噴涂的方式,將耐磨粒子( 如CBN) 直接噴涂到葉尖金屬涂層表面,形成復合涂層,方法: ( 1) 將葉片噴涂完后安裝在葉盤上,( 2) 將葉片表面遮擋,直接進行冷噴涂。


   3.2 層狀復合

   雙層涂層既可以是2 層金屬涂層,也可以是由陶瓷層和金屬粘結層組成的熱障涂層。Hu 等報道了一種可應用于葉尖的涂層,該涂層是由MCrAlY 和改性MCrAlY 組成的雙層涂層,具有良好的抗熱腐蝕性能和高溫氧化性能,而且具有很高的耐久性,涂層與基體結合牢固。目前廣泛采用的是熱障涂層,其中陶瓷涂層起隔熱作用,同時兼具一定的耐磨性能,陶瓷涂層和基體金屬之間為改性滲鋁涂層或MCrAlY 粘結層,起著改善基體和陶瓷層物理相容性和抗氧化腐蝕的作用,雙層結構制備工藝簡單、隔熱性能強,也可應用于整體葉片。


   3.3 層狀與顆粒復合涂層

   在層狀結構的涂層中混入陶瓷顆粒,可以有效增強涂層的耐磨性能,減小葉尖和機匣的間距?;旌夏湍タ帕2糠致凍鎏沾賞獗礱?,有部分顆粒穿插于陶瓷層和金屬粘結層( 圖4 為一種葉尖涂層的結構示意圖) 。這樣設計的目的不僅能提高的涂層的耐磨性能,同時,露出陶瓷表面的硬質顆粒尖端可以切入機匣封嚴涂層表面,形成特定的運行軌跡,減小葉尖和機匣之間的間隙,從而提高了發動機效率和輸出功率。復合雙層涂層目前面臨的問題是: 硬質顆粒的選材問題,需要足夠高的硬度,與外沿涂層具有良好的相容性并且在高溫下不發生氧化; 外沿涂層需要足夠的耐高溫耐腐蝕性能,可以選用滲鋁涂層或者陶瓷涂層等,和硬質顆粒相容,結合牢固; 粘結層需要很好的耐高溫性,重要的是要與基體和外沿涂層結合牢固,保證涂層的穩定性。

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   Schell 等提出在陶瓷涂層和金屬粘結層組成的熱障涂層中嵌入SiC 顆粒,并且顆粒貫穿陶瓷涂層和金屬粘結層,部分顆粒露出陶瓷涂層外表面。金屬粘結層采用MCrAl 或NiCrCoAl 合金涂層,在保證熱障涂層原有高溫性能的條件下,使涂層的耐磨性能得到了進一步提高。但需要考慮的問題是陶瓷涂層與硬質顆粒的相容性問題,顆粒和陶瓷涂層的選材顯得尤為重要。


   除了最外層使用陶瓷涂層,使用金屬涂層的報道也很多。為了保證硬質顆粒不脫落,具有足夠的使用壽命,Wilson 等提出了一種復合涂層的制備方法。


   以SiC 為耐磨顆粒,外層使用具有自修復性能的MCrAlX( 其中M 指的是Ni、CO 或Fe,X 指的是Y、Zr或Hf) 涂層,涂層與SiC 相容性良好,保證了SiC 的耐久性硬質顆粒除了SiC,還有硬度更高的氮化硼。Laul等制備了一種復合雙層涂層,涂層包括CBN 硬質顆粒,金屬粘結層CoNiCrAlY 以及最外層的經擴散處理( 滲鋁) 的NiCoCrAlHf 涂層。CBN 鑲嵌于外層,在粘結層以上,經擴散處理的外層表面形成了滲鋁涂層,提高抗氧化性能的同時,也保證了CBN 的牢固結合。這種結構的涂層既保證了耐磨性能,也保證了涂層的抗氧化和腐蝕性能。而且,金屬粘結層和外層都可以摻雜其他元素進行改性,進一步提升性能。


   4 存在的問題和發展趨勢

   國外關于航空發動機葉尖涂層的研究起步較早,我國起步較晚,技術落后于美國等航空工業發達的國家。航空發動機葉片工作環境惡劣,尤其是葉片的葉尖部分,葉片的使用壽命往往與葉尖相關。就目前而言,葉尖防護涂層的研究比較少,相關涂層技術具有很大的潛力和良好的發展前景。和多數防護涂層一樣,葉尖涂層仍然有許多問題需要解決,如涂層的結構設計、涂層的綜合高溫性能、涂層與基體的結合強度、涂層的制備工藝以及如何應用于葉尖等。因此,在前面對國內外相關涂層的研究進展的綜述基礎上,對應用于葉尖的防護涂層進行以下幾點展望。


   4.1 葉尖涂層的成分與結構優化

   單層涂層的綜合性能有所欠缺,其中鋁化物涂層及微晶涂層可以達到很高的抗氧化和熱腐蝕性能,但是耐磨性能有所欠缺,應用于葉尖受到限制。對于陶瓷涂層,單獨使用的情況下,雖然其隔熱效果好、硬度高,但是其與葉片的物理相容性很差、熱導率較低。


   MCrAlY 涂層雖然也有直接應用于葉片及葉尖的報道,但是隨著發動機溫度的提升,性能達不到要求。單層復合涂層相對其他涂層綜合性能有所提升,所以應用于葉尖部分仍有很大的發展潛力,但有許多問題有待優化,如利用復合電鍍制備高溫耐磨復合鍍層,需要考慮的問題有涂層基質金屬的選擇以及耐磨粒子的選擇、電鍍的方式以及鍍液的分散等。


   雙層涂層的設計優于單層涂層,雙層涂層將2 種不同性能的涂層結合起來,如熱障涂層,包括陶瓷涂層和MCrAlY 涂層。但是涂層之間的結合強度、涂層之間的擴散、涂層之間的適配型以及加入耐磨顆粒后帶來的問題都影響著涂層的性能和使用,為了避免這些問題,涂層結構更加多元也更加復雜。所以,今后發展多層涂層以及梯度涂層具有良好的前景,但是多層及梯度涂層制備工藝復雜,實際應用較為困難,因此,多層及梯度涂層的優化問題需要進一步研究。


   雙層涂層在服役中可能會出現涂層內熱應力不匹配,涂層和基體、涂層和涂層之間發生互擴散,導致涂層的退化等問題,因此有研究人員提出發展多層結構和梯度結構系統。多層結構每層涂層性能不同,一方面延緩涂層的擴散,另一方面緩和涂層之間的熱應力,增強涂層的穩定性。梯度涂層的基本思想是將2 種或2 種以上不同材料制備成梯度分布的復合材料,使得材料具備非梯度結構達不到的功能,但是多層體系涂層的熱化學行為復雜,涂層的制備工藝繁瑣,許多技術問題尚未得到解決,限制了其實際應用。多層結構和梯度結構涂層的綜合性能很強,適用于性能要求極高的葉尖涂層,如果能解決技術上的難題,將會有良好的應用前景。


   4.2 葉尖涂層的制備工藝

   開發國內關于葉尖涂層制備工藝的研究報道較少,我國多項技術還處于起步階段和實踐證明階段,在葉尖涂層的制備工藝研究方面與美國等發達國家相比存在巨大差距。葉尖表面復雜,尺寸精度要求高,涂層的實際工程應用也將是一個巨大的問題。葉尖涂層的結構朝著多層化發展,涂層的制備工藝不僅僅是單工藝的應用,而是多工藝的結合。工藝研究及工藝優化對涂層制備成本和制備效率具有重要意義。國外已經具備比較成熟的技術,因此不斷引進和吸收國外先進技術,將實驗室研究和工程化應用相結合是一個努力方向。


   4.3 葉尖涂層失效及修復研究

   葉尖防護涂層在高溫工作環境下失效是一個非常復雜的過程,其失效受多種因素影響。葉尖的工作環境較整體葉面惡劣,因此葉尖是發動機葉片最易受損的部位。目前國內對葉尖受損機理的研究較少,對于受損葉片的分析和修理也是基于一個具體案例,如果能建立一個更加系統化、規范化的分析機制,對葉尖的損傷原因進行分類歸納,對以后損傷葉尖的分析及修復提供一個更加標準的參考依據,對于提高效率和節約成本具有顯著意義。

來源:陸軍裝甲兵學院再制造技術重點實驗室


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