熱噴涂技術在航空發動機制造中的應用與發展

熱噴涂技術在航空發動機上的應用

由于熱噴涂材料來源廣、制備工藝穩定、涂層成分結構可設計性強、涂層質量可控、可制備多種功能及防護涂層，并可自動化生產，使熱噴涂技術在航空制造技術領域獲得了應用。航空發動機及飛機的關鍵零部件——壓氣機葉片榫頭、機匣、封嚴篦齒、燃燒室、渦輪葉片、導向葉片、軸頸、軸承座、封嚴環、噴管等數以千計的零件需進行熱噴涂制備涂層，熱噴涂涂層的應用是航空發動機可靠性及服役壽命大幅度提高。

等離子噴涂技術生成的高溫可磨耗封嚴涂層

   高溫可磨耗封嚴涂層作為發動機部件的重要涂層之一，用來調控高壓渦輪轉子部件與機匣之間的間隙，對保持發動機的效率十分關鍵。我國國內研制開發的添加陶瓷減摩自潤滑材料及聚苯酯的高溫可磨耗封嚴涂層，涂層摩擦系數低，可磨耗性能優異，同時抗高溫氧化性能及燃氣沖刷性能優良。高溫可磨耗封嚴涂層厚度一般超過1.5mm，必須采用機器人自動等離子噴涂技術，噴涂參數計算機閉環控制、涂層厚度在線監測，這樣有利于涂層組織結構及厚度均勻，穩定涂層冶金質量。

等離子噴涂生成熱障涂層

   熱障涂層用于航空發動機及地面燃氣輪機，保護發動機高溫部件，如燃燒室、渦輪葉片、火焰噴管等，可大幅度提高部件壽命、提高發動機效率、降低部件溫度或提高燃氣溫度。

   熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積法。熱沖擊壽命和熱導率為熱障涂層的兩個關鍵技術指標。沒有優異的抗熱沖擊性能，熱障涂層就不能在可靠性要求極高的航空發動機上獲得成功應用。把涂層壽命做到數千、數萬小時是熱噴涂涂層成功應用于商用飛機發動機的關鍵所在。

   由于氧化釔穩定氧化鋯在1200℃以上工作、在隨后的冷卻過程中相變，相變過程中材料體積將膨脹約4%，這種體積效應使涂層產生裂紋甚至剝落。國內外學者對兩種或兩種以上稀土氧化物復合穩定氧化鋯的多元體系進行了較多研究，取得了明顯進展，美國科學家開發的氧化釓、氧化鐿、氧化釔三元稀土復合穩定氧化鋯工作溫度可達1500℃，并已商品化。

熱噴涂技術發展趨勢

  熱噴涂技術經過100余年的發展，技術日益成熟，用途涉及航空航天、工業燃氣輪機、汽車、電力、燃料電池與太陽能、醫療衛生、造紙與印刷等諸多領域。

要實現航空發動機在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發動機中燃氣溫度，這必然造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的大幅度提高。碳化物、氮化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代鎳基高溫合金作為在更高溫度下工作的發動機高溫結構材料，制約其應用的重要因素是其在發動機高溫燃氣環境中的材料組織結構穩定性不足，碳化物、氮化物陶瓷能夠和水蒸汽等反應生成揮發性的產物造成陶瓷材料結構及性能嚴重退化。在陶瓷表面采用氣相沉積與等離子噴涂復合技術制備環境障涂層，可以有效阻止高溫燃氣氣氛和陶瓷基體的接觸，提高陶瓷基體的結構穩定性。

在某些重要應用領域需要高的涂層結合強度，甚至需要涂層與零件基體間冶金結合。為克服熱噴涂涂層界面機械結合的不足，激光等離子復合噴涂技術應運而生。激光等離子復合噴涂涂層界面為冶金結合，涂層結構致密均勻，可用于發動機刷式封嚴跑道的制造。目前要解決的主要問題：一是控制熱輸入，避免涂層成分過度稀釋及材料組分的分解；二是降低應力，避免涂層中出現裂紋。

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