電弧離子鍍技術(shù)在航空工業(yè)上的應(yīng)用

匡君君,　姜春玉,　劉宏斌

(1.中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠?！?19041；　2.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(集團)有限公司，陜西 西安　710021)

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電弧離子鍍技術(shù)在航空工業(yè)上的應(yīng)用

匡君君1,姜春玉1,劉宏斌2

(1.中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，廣東 珠海519041；2.中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(集團)有限公司，陜西 西安710021)

摘要：在航空工業(yè)中，電弧離子鍍技術(shù)是一項很重要的鍍膜技術(shù)，介紹了電弧離子鍍的基本原理與特點，并結(jié)合國內(nèi)外航空工業(yè)中航空發(fā)動機、復(fù)合材料領(lǐng)域的研究與發(fā)展，重點介紹了電弧離子鍍技術(shù)在我國航空工業(yè)，尤其是航空發(fā)動機葉片、復(fù)合材料制件上的工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:電弧離子鍍技術(shù)； 基本原理； 航空工業(yè)； 應(yīng)用

引　言

離子鍍技術(shù)是于20世紀(jì)60年代初在真空蒸鍍和真空濺射的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型薄膜制備技術(shù)。最早由美國Mottox公開其所發(fā)明的離子鍍技術(shù)。電弧離子鍍是把真空陰極電弧放電原理用于蒸發(fā)源的離子鍍技術(shù)，最早由蘇聯(lián)學(xué)者在20世紀(jì)70年代開發(fā)，后續(xù)經(jīng)過蘇聯(lián)、美國等國的發(fā)展實現(xiàn)了工程化應(yīng)用。雖這一技術(shù)在我國起步較晚，但經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電弧離子鍍技術(shù)已經(jīng)廣泛地在我國高速鋼刀具、汽車零部件、航空航天、模具及鐘表等行業(yè)大量應(yīng)用[1]。

1　電弧離子鍍技術(shù)

1.1電弧離子鍍的基本原理

電弧離子鍍的基本原理就是將金屬蒸發(fā)源(靶材)作為陰極弧源，當(dāng)真空室內(nèi)通入氬氣使室內(nèi)的壓強達到1～0.1Pa時，在陰極弧源上通電產(chǎn)生負(fù)高壓，使陰極弧源與陽極殼體之間形成弧光放電，使靶材蒸發(fā)離化，靶材蒸氣粒子在等離子體中被電離為正離子，正離子在負(fù)高壓電場的作用下，被吸引到工件(基底)上進行沉積鍍覆。

目前國內(nèi)外工程化程度最高的、使用最廣的電弧離子鍍技術(shù)就是多弧離子鍍技術(shù)，其基本原理及設(shè)備見圖1。

圖1　多弧離子鍍設(shè)備原理圖及典型設(shè)備

1.2電弧離子鍍的工藝特點

電弧離子鍍與常用鍍膜工藝對比如表1[2]。

表1鍍膜工藝的比較

鍍膜方法電鍍真空蒸發(fā)鍍膜濺射鍍膜電弧離子鍍化學(xué)氣相沉積可鍍材料金屬金屬、化合物金屬、合金、化合物、陶瓷和聚合物金屬、合金、化合物、非金屬、塑料和陶瓷金屬、化合物鍍層附著力一般差好很好很好鍍層質(zhì)量可能有氣孔,較脆可能不均勻致密、針孔少致密、針孔少致密、針孔少鍍層均勻性平面上較均勻,邊棱上不均勻會有差異較好好好沉積速率中等較快較快(磁控濺射)快較快鍍覆復(fù)雜表面能鍍,鍍層可能不均勻只能鍍直射的表面能鍍?nèi)勘砻?但非直射面附著差能鍍?nèi)勘砻?具有一定的繞鍍性,不能鍍內(nèi)腔能鍍?nèi)勘砻?/p>

通過對比，電弧離子鍍具有以下幾個突出的特點：

1)膜層結(jié)合力強，膜層質(zhì)量高；

2)可鍍材質(zhì)廣泛；

3)離化率高，一般能到60%～80%；

4)沉積效率高，繞鍍性好；

5)工藝操作簡單，成膜速度快，可鍍制厚膜。

2　電弧離子鍍技術(shù)在我國航空工業(yè)上的應(yīng)用

2.1在航空發(fā)動機領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著當(dāng)今航空發(fā)動機的渦輪前進口溫度、推重比和熱效率等指標(biāo)不斷提升，發(fā)動機熱端部件所經(jīng)受的工作環(huán)境(如：燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫?惡劣程度也在不斷提高，為了滿足航空發(fā)動機發(fā)展的需求，國外國內(nèi)對熱障涂層(TBCs)展開了大量研究與應(yīng)用。

自20世紀(jì)70年代以來，歐美等發(fā)達工業(yè)化國家都競相發(fā)展TBCs涂層。據(jù)報道，目前美國幾乎所有的軍用和商用航空發(fā)動機都采用了TBCs涂層。我國對長壽命TBCs涂層、梯度TBCs涂層[3]也展開了大量的研究。隨著TBCs的大量研究與應(yīng)用，作為TBCs涂層的金屬結(jié)合層的MCrAlY涂層也得到了大量的研究與應(yīng)用，MCrAlY涂層電弧離子鍍技術(shù)也會得到越來越多的重視與應(yīng)用。

國內(nèi)目前已經(jīng)用多弧離子鍍設(shè)備在航空發(fā)動機渦輪葉片上成功制備NiCrAlY涂層(圖2)，且在服役過程中未發(fā)生重大的故障，大大提高了渦輪葉片的壽命與工作可靠性[4]，并已在某型航空發(fā)動機上批量生產(chǎn)。且中航工業(yè)西航公司采用多弧離子鍍制備NiCrAlY金屬結(jié)合層與采用EB-PVD設(shè)備(圖3)制備氧化鋯面層，最終開發(fā)的TBCs涂層及產(chǎn)品(圖4、圖5)已經(jīng)在國內(nèi)多型航空發(fā)動機上開始使用。

圖2　NiCrAlY涂層

圖3　EB-PVD設(shè)備

圖4　TBCs涂層結(jié)構(gòu)

圖5　TBCs涂層渦輪葉片

作為TBCs涂層結(jié)合層材料MCrAlY，在高溫環(huán)境中，結(jié)合層與陶瓷層之間形成一層致密的保護性氧化物膜TGO(如Al2O3)來防止外界有害氣體向金屬基體內(nèi)部擴散，延長涂層的壽命。但是相關(guān)研究表明，當(dāng)MCrAlY層與陶瓷層之間的TGO厚度達到8～10μm時，氧化膜就會過厚，從而降低結(jié)合層的粘性引起陶瓷層的剝落。為增強氧化物膜層與基體間的結(jié)合力并改善涂層的抗熱震性能，延長涂層的使用壽命，從20世紀(jì)開始，國內(nèi)外在MCrAlY中添加一些改變結(jié)合層抗氧化及耐熱腐蝕性能、改善氧化膜穩(wěn)定性的元素(Si、Ta、Co等)的研究一直在進行[5-6]，且相關(guān)研究成果已經(jīng)投入工程應(yīng)用。

例如，中航工業(yè)西航公司采用MIPS-8真空電弧鍍設(shè)備開發(fā)了某新型航空發(fā)動機高壓渦輪工作葉片NiCrAlYSi涂層工藝，其工藝流程為：

噴砂或噴丸→超聲波清洗→烘干→裝爐→離子轟擊清洗→制備涂層→真空冷卻→出爐→真空擴散。

真空電弧鍍設(shè)備所得到的NiCrAlYSi涂層具有結(jié)合力高、均勻性好、涂層—基體界面高溫穩(wěn)定性好、涂層成分不受基體合金的影響等優(yōu)點，且其良好的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和抗高溫氧化性能也已經(jīng)在該型航空發(fā)動機上得到了充分驗證。

2.2在復(fù)合材料制件上的應(yīng)用

復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、高比強度、高比模量、耐腐蝕性能好、抗疲勞強度好、結(jié)構(gòu)功能和設(shè)計制造一體化、易于成型大型構(gòu)件等一系列特點，已在航空工業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。

在國外，歐美等西方航空工業(yè)強國已經(jīng)在軍用機、民用機及公務(wù)機制造上大量使用復(fù)合材料。據(jù)報道，F(xiàn)22、F35戰(zhàn)機機體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的使用達到30%左右；波音787復(fù)合材料達到全機61%左右；公務(wù)機方面，美國西銳公司、奧地利Diamond公司和美國塞斯納公司，新開發(fā)的飛機機體結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的使用率已超過85%。

目前國內(nèi)各類飛機復(fù)合材料的使用率也在大幅提高，如大型民機C919上已經(jīng)采用大量的復(fù)合材料；公務(wù)機方面，最值得一提的是由中航通飛華南公司研制的國內(nèi)首款具有知識產(chǎn)權(quán)的全復(fù)合材料公務(wù)機領(lǐng)世AG300已經(jīng)于2014年7月5日首飛成功。

雖然隨著復(fù)合材料在航空工業(yè)中扮演越來越重要的角色，但其表面性能限制了其的應(yīng)用，為了在特定應(yīng)用領(lǐng)域、特定部件實現(xiàn)特定功能，需對復(fù)合材料表面進行金屬化處理。如用復(fù)合材料制成的天線、雷達罩等部件。然而金屬轉(zhuǎn)移法、噴涂、貼膜法、電鍍法和真空鍍等復(fù)合材料常用的表面金屬化方法都有其缺點。趙棟才等[7]用電弧離子鍍技術(shù)(設(shè)備結(jié)構(gòu)見圖6)在碳纖維復(fù)合材料表面得到了質(zhì)量好、附著力高和膜層厚度均勻可控的Al膜，實現(xiàn)了用電弧離子鍍技術(shù)對復(fù)合材料表面金屬化。

圖6　脈沖過濾弧沉積設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

岳守晶[8]等用電弧離子鍍工藝實現(xiàn)了對大型復(fù)雜型面的復(fù)合材料制件表面沉積Al膜，電弧離子鍍Al膜微觀形貌見圖7。

圖7　復(fù)合材料表面電弧離子鍍Al膜微觀圖

雖然電弧離子鍍技術(shù)在復(fù)合材料表面金屬化領(lǐng)域的工程化應(yīng)用仍面臨周期長、成本高及設(shè)備要求高等限制因素，但隨著復(fù)合材料在航空工業(yè)的大量采用，電弧離子鍍技術(shù)在復(fù)合材料表面金屬化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3在航空工業(yè)維修領(lǐng)域的應(yīng)用

電弧離子鍍技術(shù)在航空工業(yè)維修領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在[4,9]：1)修復(fù)速率陀螺的馬達軸承，進行軸承外圓表面的增厚處理；2)渦輪葉片抗氧化、抗腐蝕多元合金涂層的修理。

3　結(jié)　語

本文對電弧離子鍍技術(shù)在我國航空工業(yè)中發(fā)動機、復(fù)合材料零部件加工中的應(yīng)用情況進行了闡述；雖然電弧離子鍍技術(shù)在我國航空工業(yè)上的應(yīng)用已實現(xiàn)很大進步，但與國外相比差距仍較大。因此還得加大工程批量化應(yīng)用方面的數(shù)據(jù)積累，從而開發(fā)出先進穩(wěn)定的電弧離子鍍工藝，縮小我國航空工業(yè)與世界航空工業(yè)強國的差距。

參考文獻

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doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.08.006

收稿日期：2016-02-19修回日期： 2016-03-21

中圖分類號：TG174.444

文獻標(biāo)識碼：A

Applications of ARC Plating Technology in Aviation Industry

KUANG Junjun1， JIANG Chunyu1， LIU Hongbin2

(1.China Aviation Industry General Aircraft Huanan Co.Ltd.，Zhuhai 519041,China；2.AVIC Xi'an Aero-Engine(Group)Ltd.,Xi'an 710021,China)

Abstract:ARC plating is a very important coating technology in aviation industry.In this paper,basic principles and characteristics of the ARC plating technology were introduced;and combined with the research and development of aeroengines in the aviation industry at home and abroad,and composite materials,the applications of the ARC plating technology in China aviation industry,especially in the manufacturing of aero-engine blades and composite material parts,were also introduced as a key.

Keyword:ARC plating technology;basic principle;aviation industry;application