高溫可磨耗封嚴(yán)涂層研究進(jìn)展

丁 一，章德銘，劉建明，魯秋源，楊永琦

北京礦冶研究總院，北京 100070

目前國(guó)內(nèi)外都在從發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮降低油耗，實(shí)踐證明，封嚴(yán)涂層是一種較理想的解決辦法，即把涂層涂覆在轉(zhuǎn)子件和靜子件上，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，動(dòng)、靜件之間產(chǎn)生干涉、磨擦、磨損一部分涂層，從而得到了發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下的最小間隙。這樣可提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，改善性能，節(jié)約能源，降低油耗，并使發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命提高。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)主流道中葉尖間隙的密封為例，國(guó)內(nèi)外借助數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究分析的手段，分析了葉尖間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。漆文凱等人的研究指出[1]，葉尖間隙與葉高之比每增加0.01，會(huì)引起壓氣機(jī)或渦輪效率降低約0.8%～1.2%；會(huì)使雙轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率增加約2%。張曉波等人分析認(rèn)為[2]，在壽命周期費(fèi)用（LCC）方面，減小高壓渦輪葉尖間隙所得到的效益是低壓渦輪的4倍，是高壓壓氣機(jī)的2倍。Scott B.Lattime等人分析認(rèn)為[3]，高壓渦輪葉尖間隙每減少0.254mm，消耗率約降低1%，排氣溫度約減少10℃。

1 高溫封嚴(yán)涂層材料種類

可磨耗封嚴(yán)涂層材料常見的種類非常多，其主要有金屬材料和非金屬材料復(fù)合組合在一塊。其成分是大多數(shù)是粉體材料為主的產(chǎn)品，有少量的品種一部分是棒材。金屬材料具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比較強(qiáng)、沖蝕性比較強(qiáng)，具有很好的可噴涂性性能。常見的有：鎳、銅、鉻、鋁等及其合金。非金屬材料的可磨耗性能比較強(qiáng)，有很好的自潤(rùn)滑性能，常見的有：聚苯酯、石墨、硅藻土、膨潤(rùn)土、六方氮化硼等。高溫封嚴(yán)涂層材料主要有兩種，一種是是以Ni基材料為骨架相制備的粉體材料，另一種是以氧化鋯等陶瓷基材料為骨架相的粉體材料，用其制備的可控制孔隙率的陶瓷基涂層，耐溫可達(dá)。

2 高溫封嚴(yán)涂層的研究與發(fā)展

國(guó)外封嚴(yán)涂層研究起步于上世紀(jì)五十年代，國(guó)內(nèi)對(duì)高溫封嚴(yán)涂層的研究開始于上世紀(jì)70年代，到目前也取得了一些進(jìn)展。成發(fā)技術(shù)中心支樹平等80年代與中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所聯(lián)合研發(fā)了可用于1 000℃工作環(huán)境下的鎳鉻鋁／硅藻土可磨涂層。

北京礦冶研究總院采用熱噴涂方法制備多孔MCrAlY高溫可磨耗封嚴(yán)涂層。其粉末制備方法為將合金粉與造孔劑進(jìn)行混合造粒，再進(jìn)行真空燒結(jié)，獲得冶金結(jié)合的多孔金屬粉末材料。使用該粉末制備涂層無(wú)需后處理即可直接獲得孔洞分布均勻且多為閉孔的封嚴(yán)涂層。鎳基涂層的優(yōu)點(diǎn)是具有較好的抗氧化性，鈷基涂層的優(yōu)點(diǎn)是耐熱疲勞性能較好，NiCoCrAlY涂層兼顧兩種涂層的性能優(yōu)點(diǎn)，該涂層同時(shí)具有了很好的抗氧化性、耐熱腐蝕性和優(yōu)良的機(jī)械功能[4-5]。

北京航空航天大學(xué)郭洪波等人發(fā)明了一種制備BaLn2Ti3+xO10+y高溫封嚴(yán)涂層的方法。在其涂層表面使用了層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陶瓷粉末，比如BaLn2Ti4O12、BaLn2Ti3O10、BaPr2Ti3O10、BaSm2Ti3.5O11等，制成的涂層是通過(guò)噴霧造粒和大氣等離子相互的噴涂[6]。

武漢理工大學(xué)程旭東等人是用氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯粉末為基相材料，填充材料是使用定量的h-BN、聚合物，進(jìn)行噴霧造粒制成噴涂用團(tuán)聚球形納米氧化鋯基復(fù)合粉，采用等離子噴涂工藝制得封嚴(yán)涂層。通用公司研制了一種高溫封嚴(yán)涂層，其成分包括金屬間化合物比如β-NiAl和適量聚苯酯，采用等離子噴涂方法來(lái)進(jìn)行制作。該種涂層可以在溫度超過(guò)900℃的地方使用，使用壽命可達(dá)到24 000h[7]。

Sulzer Metco公司研制了一種高溫可磨耗封嚴(yán)涂層，其成分是在CoNiCrAlY粉末中添加適量聚苯酯和固體潤(rùn)滑劑h-BN，使用等離子噴涂方法制備。該種涂層最高使用溫度可達(dá)850℃，已成功得到實(shí)際應(yīng)用[8]。

加拿大R.S.Lima等人采用大氣等離子噴涂納米結(jié)構(gòu)釔穩(wěn)定氧化鋯封嚴(yán)涂層（Nanox S4007，Inframat公司），并將其與上述Sulzer Metco公司研制的CoNiCrAlY涂層比較，有較低的孔隙率和較高的硬度。在摩擦試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，有較低的密封磨損和體積磨損，但是葉片磨損很高，如表1所示[9]。

表1 磨擦-實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Sulzer Metco公司研制了一系列陶瓷基封嚴(yán)涂層材料，在大氣等離子噴涂條件下制備的涂層具有很優(yōu)的抗氧化性和耐腐蝕性。

3 新一代高溫封嚴(yán)涂層

可磨耗封嚴(yán)用多孔陶瓷涂層的熱噴涂粉末材料是以氧化鋯為基相材料，混合添加填充相制備的。再以這種粉末通過(guò)大氣等離子噴涂制備涂層。稀土材料作為氧化鋯穩(wěn)定劑的研究較為深入。氧化釔穩(wěn)定氧化鋯涂層以其優(yōu)異的性能已經(jīng)大量應(yīng)用于熱障涂層以及國(guó)外的高溫封嚴(yán)涂層的使用上。氧化鐿、氧化鏑等穩(wěn)定的氧化鋯系統(tǒng)的高溫封嚴(yán)涂層性能優(yōu)于氧化釔穩(wěn)定氧化鋯系統(tǒng)封嚴(yán)涂層。[10-11]。

新型高溫可磨耗封嚴(yán)涂層在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高溫段氣路封嚴(yán)需求的同時(shí)，還可以有效解決新一代發(fā)動(dòng)機(jī)部件中對(duì)高溫隔熱的需求。可磨耗封嚴(yán)用多孔陶瓷涂層具有耐高溫、耐腐蝕、和低熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外封嚴(yán)涂層研究的重要方向，被一致認(rèn)可為新一代高溫封嚴(yán)涂層。

[1]漆文凱，陳偉.某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖間隙數(shù)值分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003(1)：63-67.

[2]張曉波，楊瑞，李其漢.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪徑向間隙設(shè)計(jì)方法研究[J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2004(2)：14-18.

[3]Scott B.Lattime，Bruce M.Steinetz.Tureine engine control systems: current practices and future directions.AIAA 202-3790，2002.

[4]于月光，任先京，等.一種熱噴涂用多孔MCrAlY合金粉末的制備方法.中國(guó)專利.201110100221.9.

[5]劉建明，陳美英，任先京，章德銘，劉笑笑，楊永琦.合金元素在MCrAlY涂層中的作用[J].熱噴涂技術(shù)，2010(4)：30-34.

[6]郭洪波.超高溫BaLn2Ti3+xO10+y封嚴(yán)涂層材料及其制備方法[P].中國(guó)，200710120616.2.

[7]Chupp R E，Ghasripoor f，Turnquist Norman A.Advanced seals for industuial turbine applications:dynamic seal development.Journal of propulsion and power，2002(18): 1260-1266.

[8]Sulzer Metco.Thermal spray materials guide.2006: AP-3.

[9]R.S.Lima，B.R.Marple，Dadouche，et al.納米結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層的高溫應(yīng)用.熱噴涂技術(shù)，2006(9).

[10]程旭東，高忠寶，李其連，肖巍，閔捷.高溫封嚴(yán)涂層材料的基本性能研究與評(píng)價(jià)[J].表面技術(shù)，2008(4).

[11]戴赫，汪禮敏，張佳萍，王璐，楊中元，張景懷，林鋒.新型高溫隔熱可磨耗封嚴(yán)涂層研究及展望[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008(7).