表面涂层技术在航空发动机上的应用.doc

表面涂层技术在航空发动机上的应用 南京航空航天大学 表面涂层技术是指将有机、无机或混合涂层采用刷涂、浸泡、喷涂等方法涂覆于构件表面上 ,从而改善构件表面性能的一门技术。表面涂层能够对构件起到防护、密封、抗磨、抗冲击、减振、隔热等作用 ,而且技术工艺简单 ,可维修性好 ,大大提高了发动机构件可靠性 ,延长了发动机使用寿命 ,因此在航空发动机中得到了广泛应用。  1.保护涂层 　 管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件直接和大气接触 ,容易受到大气中水分、尘埃、盐、二氧化硫的侵蚀 ,因此 ,其不锈钢和钛合金材料的表面膜易发生局部腐蚀即点蚀。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 ,其晶界生成碳化物 ,造成贫铬区 ,在酸性物质作用下 ,材料表面沿晶面开裂 ,产生晶粒脱落即干腐蚀 ,经长期高温氧化形成氧化膜 ,氧化到一定程度之后 ,材料表面呈片状破裂或网状剥落 ,造成微损伤 ,受到微损伤的构件在振动作用下 ,会产生微裂纹 ,微裂纹扩展可导致构件断裂。 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。抗磨、抗冲击涂层 ,包括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涂的有机硅耐磨涂层 ,压气机叶片阻尼凸台上涂的防止运转振动时叶片间相互撞击、摩擦、磨损的叶片振动涂层 ,涡轮叶片防热盐涂层等。 表 1 列出了几种常用的保护涂层。 2.封严与密封涂层 为了提高发动机效率 ,减少热损失 ,转、静子之间的间隙要小。转动件在工作中由于受离心负荷和热气流温度场的影响而向外伸长 ,因此会和静子碰磨 ,从而危及发动机的安全。为限制转、静子之间的间隙 ,又不使气流泄漏 ,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。例如 WP6 发动机压气机前轴承机匣涂覆的封严涂层 ,涡轮第 2 级导向叶片的封严环等。 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。 　 表 2 和表 3 列出了部分封严、密封涂层的概况。 3.橡胶涂层 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 ,所以对叶片减振非常重要。叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动 ,为保证发动机安全工作 ,就要使压气机叶片振动不致过大 ,为此 ,在叶片设计上可采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强肋、削尖等减振措施。为了改善压气机工作特性 ,扩大稳定工作范围 ,使发动机有良好的起动和加速性能 ,在非设计点状态下不发生喘振 ,在压气机设计中还可采用可转进口导流叶片、可转静子叶片、可变弯度的进口导流叶片、进气处理机匣和放气带等。 　　国外的发动机也有的采用了橡胶涂层 ,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。橡胶涂层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 ,且耐磨、耐老化 ,密封性好 ,使用寿命长、易更换、便于维护 ,能够明显提高叶片的使用寿命。 表 4 列出了部分橡胶涂层概况。 4.热障涂层 大量试验证明 ,热障涂层热变形小、耐蚀、耐磨、密封性好 ,用在发动机高温部件上可提高发动机效率和延长发动机使用寿命 ,已成为航空发动机设计和维护的关键技术之一。 　　美国 PW 公司在J T3D 和J T38D 发动机的风扇叶片、压气机叶片、燃烧室、涡轮叶片等处采用了热障涂层 ,目前 ,已将热障涂层发展到了第 3 代 ,应用了大推重比发动机 PW4000 上。英国 RR 公司的Spey 发动机有 200 多个零件使用了热障涂层 ,尤其是在第 1～3 级涡轮叶片叶冠上均使用了热障涂层 ,从而改善了叶片可靠性 ,提高了发动机效率。美国GE公司 ,在 20 世纪 70 年代中期 ,将热障涂层广泛用于延长燃烧室和加力燃烧室组件的使用寿命;80年代 ,等离子喷涂热障涂层的应用已经扩展到高压涡轮导向叶片。 　　为提高发动机燃烧室可靠性 ,防止发生热变形进而产生裂纹 ,英国 RB211 发动机燃烧室衬套表面采用了热喷氧化锆涂层 ,从而极大地提高了燃烧室的使用寿命。 　　随着航空航天技术的发展 ,中国的隔热高温涂层技术也有了长足进步 ,热障涂层早就应用于发动机燃烧室、喷口、涡轮叶片等处。如 WP7 发动机火焰筒使用了高温珐琅涂层。又如 WP6 发动机第 1级涡轮叶片的榫齿延伸段曾发生断裂 ,采用钴铬镍 热喷耐磨涂层有效排除了这一故障。目前中国热障涂层使用的最高温度可达 1350 ℃。 表 5 列出了部分热障涂层的概况。