高性能封嚴(yán)涂層研制與應(yīng)用工作取得重要進(jìn)展

高性能封嚴(yán)涂層研制與應(yīng)用工作取得重要進(jìn)展

封嚴(yán)涂層是先進(jìn)動力系統(tǒng)減小氣流通道泄漏損失、降低能耗、提高效率的關(guān)鍵技術(shù)，是目前最先進(jìn)的氣路封嚴(yán)技術(shù)，國外先進(jìn)動力裝置已大量使用，制備技術(shù)嚴(yán)格保密。中科院金屬所從2003年起先后承擔(dān)國家、省市等科研項目多項，進(jìn)行了高性能封嚴(yán)涂層的研究工作，并實現(xiàn)成果工業(yè)轉(zhuǎn)化以及產(chǎn)業(yè)化，取得系列創(chuàng)新性成果。

封嚴(yán)涂層的主要成分包括金屬相、非金屬相以及孔隙。該類復(fù)合粉末各相物理性能差異大，流動性不好，噴涂過程中各組分熔化狀態(tài)差異大，涂層組織結(jié)構(gòu)可控性差。通過研究焰流中粉末粒子的溫度場和速度場的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化粉末粒子噴射初速度和焰流中飛行速度是提高涂層組織結(jié)構(gòu)可控性的有效途徑，實現(xiàn)了溫度場和速度場的最佳耦合，獲得了潤滑相分布均勻和殘余應(yīng)力低的理想組織結(jié)構(gòu)。同時封嚴(yán)涂層對綜合性能要求很高，必須同時兼有諸如結(jié)合強度高、易磨耗、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、磨屑相容等性能，其中，封嚴(yán)涂層的可磨耗性與結(jié)合強度是相互矛盾的。可磨耗性提高，涂層孔隙率增加，硬度降低，涂層結(jié)合強度下降，工作時易出現(xiàn)“掉塊”現(xiàn)象；相反，涂層結(jié)合強度提高，孔隙率降低，硬度提高，可磨耗性下降，工作時葉片磨損嚴(yán)重。如何實現(xiàn)二者的最佳匹配是保證涂層質(zhì)量的關(guān)鍵。熱噴涂過程中工藝影響因素眾多，為了達(dá)到性能的良好匹配，僅依靠常規(guī)工藝試驗難以實現(xiàn)。研究中采用Spraywatch動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和摩擦磨損試驗研究了主要工藝參數(shù)對封嚴(yán)涂層性能的影響，結(jié)果表明噴涂過程中送粉載氣流量對噴涂粒子的速度影響最為明顯，對提高涂層的綜合性能效果顯著，這打破了長期以來認(rèn)為送粉載氣流量僅是保證正常送粉的工藝參數(shù)這一傳統(tǒng)認(rèn)識，使涂層的硬度、結(jié)合強度、熱震性能、熱穩(wěn)定性等性能均大幅度提高。

課題組研發(fā)了適用于不同工作溫度的AlSi/BN、Ni/石墨、NiAl/BN、NiCrAl/硅藻土等系列封嚴(yán)涂層，研發(fā)成果已成功應(yīng)用于新型發(fā)動機、汽輪機、透平壓縮機上。主要工作包括：（1）金屬所成為先進(jìn)發(fā)動機封嚴(yán)涂層定點生產(chǎn)單位，先后承擔(dān)了多個型號發(fā)動機封嚴(yán)涂層的批產(chǎn)任務(wù)，產(chǎn)品合格率達(dá)100%；（2）應(yīng)用于沈鼓集團自主研發(fā)的國內(nèi)首臺十萬空分壓縮機組和G73、G74、G75、G77等G系列透平壓縮機的葉輪、型環(huán)等關(guān)鍵部件，解決了整機裝置效率低下的技術(shù)難題；（3）與哈汽集團合作開展NiCrFeAl-BN·SiO2新型封嚴(yán)涂層噴涂粉末的研制與涂層制備技術(shù)的研究，并應(yīng)用于國產(chǎn)化新型汽輪機的高壓隔板葉頂圍帶上，已試驗成功，填補國內(nèi)空白。

熱噴涂技術(shù)是金屬所重點支持與發(fā)展的研究方向之一，先后建立了“遼寧省高性能熱噴涂涂層工程技術(shù)研究中心”和“熱噴涂研發(fā)基地”，擁有進(jìn)口METCO 9M等離子噴涂、METCO DJC-2700超音速火焰噴涂、METCO 6P-Ⅱ火焰噴涂及APS-2000、APS-2000A等離子噴涂等先進(jìn)的熱噴涂生產(chǎn)設(shè)備，同時具備包括噴涂過程動態(tài)在線監(jiān)測、多種熱物性分析、力學(xué)性能測試和結(jié)構(gòu)表征等完善的分析檢測儀器和設(shè)備，配套先進(jìn)，功能齊全，并具有規(guī)范、高效的管理與運行機制，金屬所已正式成為德國西門子公司和瑞士ABB公司熱噴涂技術(shù)領(lǐng)域合格供應(yīng)商，涂層技術(shù)水平躋身于世界前列。

（中科院金屬所）