航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片縮孔問(wèn)題及控制研究

康軍衛(wèi)，程玉賢

(中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 技術(shù)部，沈陽(yáng) 110043)

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件，長(zhǎng)期經(jīng)受高溫、高壓、高速燃?xì)獾臎_擊和侵蝕，服役環(huán)境非常惡劣。為了解決單獨(dú)使用高溫合金材料無(wú)法滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用需求，渦輪葉片表面無(wú)一例外地采用氣膜冷卻技術(shù)和熱障涂層技術(shù)[1-3]。這兩種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可以使葉片表面溫度降低500℃左右，有效保證了渦輪葉片可以在超過(guò)基體材料熔點(diǎn)的工作環(huán)境下安全可靠工作。

電火花加工工藝是氣膜孔加工的主流工藝，也是常見(jiàn)的工藝方法，根據(jù)具體加工位置情況可選擇電火花成型加工工藝和電火花高速打孔工藝。該工藝具有效率高，技術(shù)成熟度和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。局限性是加工材料一般為導(dǎo)體或?qū)щ娦粤己玫牟牧?。熱障涂層一般由抗氧化腐蝕性能良好的金屬粘結(jié)底層和導(dǎo)熱系數(shù)較低的陶瓷面層雙層體系組成[4-6]。由于熱障涂層的導(dǎo)電性較弱，且其厚度在0.1～0.2 mm左右，目前渦輪葉片一般先進(jìn)行氣膜孔加工工序，后進(jìn)行熱障涂層涂敷工序。涂敷涂層過(guò)程中，涂層不可避免地沉積在氣膜孔內(nèi)表面，導(dǎo)致氣膜孔孔徑減小，同時(shí)改變氣膜孔形狀，影響冷卻氣流方向，進(jìn)而影響渦輪葉片氣膜冷卻降溫效果。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，分別采用EB-PVD方法在渦輪工作葉片、APS方法在渦輪導(dǎo)向葉片表面制備熱障涂層，嘗試采用預(yù)先放大氣膜孔孔徑，涂敷涂層后打孔，涂敷涂層后對(duì)氣膜孔進(jìn)行后續(xù)加工等方法以保證涂敷涂層后的氣膜孔徑滿足設(shè)計(jì)要求，降低涂層對(duì)氣膜孔孔徑大小的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

試樣基體材料采用K488鎳基高溫合金,合金成分如表1 所示。根據(jù)試驗(yàn)需要分別將K488合金基體加工成15 mm × 10 mm ×2 mm的片狀試樣，并在片狀試樣兩端各鉆一個(gè)直徑為1 mm的圓形小孔，圓片狀試樣側(cè)面開(kāi)一深為0.5 mm槽，用于沉積涂層時(shí)固定試樣。試樣表面經(jīng)砂紙打磨倒角并在丙酮溶液中用超聲波清洗10 min左右后吹干備用。

分別采用兩種工藝制備熱障涂層。第一種采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)工藝在涂覆有PtAl 金屬粘結(jié)底層樣品表面沉積YSZ陶瓷面層，YSZ的名義成分為8wt% Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)。具體制備工藝過(guò)程如下：對(duì)涂敷PtAl底層樣品進(jìn)行濕吹砂活化處理，濕吹砂采用180目～220目白剛玉，風(fēng)壓為0.25～0.35 MPa， 吹砂距離為80～130 mm。 然后進(jìn)行強(qiáng)水流沖洗、超聲波清洗、丙酮浸洗和烘干處理后備用。待主真空室、裝載室真空度分別低于5×10-2Pa，1 Pa時(shí)開(kāi)啟兩室之間的閘板閥，通入Ar氣，對(duì)樣品表面進(jìn)行離子轟擊清洗5～10 min，目的是清除樣品表面污物，提高涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。樣品清理完畢后將其運(yùn)送至主真空室靶材上方，待樣品預(yù)熱至設(shè)定溫度，熔化YSZ靶材進(jìn)行蒸發(fā)沉積，通過(guò)控制沉積時(shí)間得到厚度合適的涂層。沉積過(guò)程中試樣隨轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)以保證涂層厚度的均勻性。EB-PVD YSZ陶瓷面層過(guò)程中ZrO2不可避免地發(fā)生分解，從而在零件表面形成非化學(xué)計(jì)量比涂層，這一點(diǎn)可以從靶材加熱后呈黑色，沉積態(tài)YSZ涂層呈灰黑色得到驗(yàn)證。因此涂層沉積過(guò)程中通入適量氧氣有利于得到化學(xué)計(jì)量比的YSZ涂層。

表1 K488基體合金名義成分

第二種采用大氣等離子噴涂(APS)工藝制備熱障涂層。首先對(duì)樣品進(jìn)行干吹砂處理。干吹砂采用36～80目白剛玉砂，風(fēng)壓為0.40～0.60 MPa， 吹砂距離為100～150 mm，吹砂角度為60°～75°。吹砂后樣品用清潔的壓縮空氣吹除表面的浮灰，避免二次污染。然后采用F4槍分別噴涂NiCrAlY 底層(Amdry 962)和YSZ面層(Metco 204 NS)。

采用丹麥Struers公司全自動(dòng)金相制樣系統(tǒng)，系統(tǒng)各組成設(shè)備分別為Discotom-6砂輪切割機(jī)和Tegrapol-35研磨及拋光機(jī)將葉片在規(guī)定位置切開(kāi)，在鑲樣并完成金相準(zhǔn)備后用金相顯微鏡對(duì)涂層試樣進(jìn)行氣膜孔觀察和分析。

分別采用銷(xiāo)氏塞規(guī)和氣膜孔五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)涂敷涂層前后葉片氣膜孔孔徑大小進(jìn)行測(cè)量。

其中氣膜孔五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量氣膜孔孔徑大小過(guò)程如下：通過(guò)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)按照設(shè)計(jì)給出的葉片氣膜孔空間角度旋轉(zhuǎn)A軸和B軸，使氣膜孔的軸線與影像測(cè)頭的光軸線同軸或平行，影像測(cè)頭瞄準(zhǔn)被測(cè)氣膜孔輪廓，采集完整的清晰圖像或離散點(diǎn)，用最小二乘法計(jì)算孔的直徑大小即為膜孔的孔徑大小。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積態(tài)熱障涂層結(jié)構(gòu)

圖1為沉積態(tài)熱障涂層典型結(jié)構(gòu)。從圖1可以看出，APS技術(shù)制備的熱障涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)含有約15%～25%的孔隙，因而熱導(dǎo)率較低，可從完全致密材料的2.3 W/mK左右降低到0.8～1.1 W/mK。但該法制備的熱障涂層存在表面粗糙度高，涂層抗沖蝕性能低，應(yīng)變?nèi)菹薜偷热秉c(diǎn)，一般用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜止件，如燃燒室、渦輪導(dǎo)向葉片等[7-8]。與APS制備熱障涂層相比，EB-PVD方法制備熱障涂層呈典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，熱導(dǎo)率較高(一般為1.5 W/mK左右)，但其具有更高的應(yīng)變?nèi)菹?，在冷熱循環(huán)過(guò)程中，涂層與合金基體一起膨脹或收縮而不剝落，表面光潔，有利于保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能。涂層/基體的界面以冶金結(jié)合為主，具有結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，一般應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子件，如渦輪工作葉片等部件[9-13]。

圖1 沉積態(tài)熱障涂層截面形貌

2.2 預(yù)先放大氣膜孔孔徑

預(yù)先放大孔徑主要通過(guò)測(cè)量涂敷設(shè)計(jì)要求厚度涂層前、后氣膜孔孔徑大小值，統(tǒng)計(jì)氣膜孔孔徑縮小規(guī)律，根據(jù)縮孔規(guī)律在渦輪葉片進(jìn)行電火花打孔時(shí)適當(dāng)放大氣膜孔孔徑，最終保證涂敷涂層后的氣膜孔徑符合設(shè)計(jì)要求。

分別采用銷(xiāo)氏塞規(guī)和氣膜孔五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)高壓渦輪工作葉片采用EB-PVD技術(shù)涂敷熱障涂層前、后的氣膜孔孔徑大小進(jìn)行了測(cè)量。圖2為氣膜孔五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量涂敷涂層前后第一排氣膜孔孔徑宏觀形貌，經(jīng)測(cè)量涂覆涂層后氣膜孔孔徑減小了0.076 mm。

圖2 氣膜孔五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量涂敷涂層前后第一排孔徑宏觀形貌

表2為銷(xiāo)氏塞規(guī)測(cè)量涂敷涂層前后氣膜孔孔徑變化情況。對(duì)于同一排氣膜孔，銷(xiāo)氏塞規(guī)與氣膜孔五軸光學(xué)復(fù)合坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量的氣膜孔孔徑變化值相當(dāng)。實(shí)際生產(chǎn)中可以采用銷(xiāo)氏塞規(guī)測(cè)量涂敷涂層前后葉片氣膜孔孔徑變化情況。

表2 銷(xiāo)氏塞規(guī)測(cè)量涂敷涂層前后葉片氣膜孔孔徑變化情況

通過(guò)對(duì)比幾批渦輪工作葉片涂敷涂層前、后氣膜孔孔徑的測(cè)量結(jié)果，可以看出涂層縮孔規(guī)律受涂層厚度、氣膜孔位置及原始?xì)饽た卓讖酱笮∮绊戄^大。為了保證涂層縮孔規(guī)律可用，需要嚴(yán)格控制涂層厚度，這對(duì)涂敷涂層工藝保證涂層厚度難度很大，可控性差，而且電火花打孔的精度要提高，公差值縮小，對(duì)電火花打孔加工控制嚴(yán)格，工序上易出現(xiàn)超差件。原本一道工序的0.1 mm的公差值，分配給兩個(gè)工序，每個(gè)工序僅有0.05 mm的公差值，增加了工序的難度。此外，放大后的氣膜孔形狀和尺寸發(fā)生明顯變化，可能會(huì)影響氣流方向，進(jìn)而影響氣膜冷卻效果。

2.3 涂敷涂層后對(duì)氣膜孔進(jìn)行后續(xù)加工

在滿足設(shè)計(jì)氣膜孔孔徑大小的渦輪導(dǎo)向葉片表面采用大氣等離子技術(shù)涂敷熱障涂層后，再采用表面涂敷含有耐磨金剛石顆粒的打磨針對(duì)氣膜孔內(nèi)表面進(jìn)行表面打磨。圖3為打磨針表面金剛石顆粒的形貌。從圖3可以觀察到金剛石顆粒均勻分布在打磨針表面，劃痕測(cè)試結(jié)果表明涂層結(jié)合力良好。

圖3 金剛石打磨針及其耐磨層微觀形貌

對(duì)葉片相鄰的兩排氣膜孔一排不進(jìn)行任何處理，一排采用表面涂敷有耐磨金剛石顆粒的打磨針對(duì)氣膜孔內(nèi)表面進(jìn)行后續(xù)加工。圖4為葉片打磨后及未打磨氣膜孔宏觀照片。從圖4可以看出，涂敷熱障涂層后，葉片表面的氣膜孔基本被封閉堵死。打磨針打磨后，氣膜孔內(nèi)多余涂層被去除，同時(shí)氣膜孔內(nèi)壁更加光滑，并在一定程度上打磨掉打孔時(shí)引入的重熔層。

圖4 涂敷熱障涂層后氣膜孔打磨/未打磨后宏觀形貌

針對(duì)實(shí)際葉片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該加工方法簡(jiǎn)單，但操作上很費(fèi)體力，存在孔口涂層脫落的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，操作者需要非常有耐性，不適合批量生產(chǎn)。

2.4 涂敷涂層后打孔

涂敷涂層后打孔主要是先涂敷設(shè)計(jì)厚度涂層再按照設(shè)計(jì)氣膜孔孔徑大小在葉片表面進(jìn)行打孔。目前氣膜孔孔徑加工的方法主要有電火花打孔和激光打孔。電火花工藝重熔層厚度僅有激光打孔重熔層厚度的一半，可控制在0.02 mm 以下，能夠滿足所有發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的冶金質(zhì)量要求。對(duì)于某些位于葉身型面的氣膜冷卻孔，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)允許有少量重熔層存在，且均使用高速電火花打孔機(jī)床，重熔層厚度一般控制在0.03 mm 以內(nèi)。

激光加工是葉片氣膜孔加工較早使用的一種工藝，傳統(tǒng)激光一般指的是長(zhǎng)脈沖激光。長(zhǎng)脈沖激光加工主要通過(guò)功率密度通常大于 106W/cm2的激光與材料作用，使材料在極短時(shí)間內(nèi)受熱汽化及熔化，其間瞬時(shí)高壓使氣體迅速膨脹而形成爆炸沖擊氣流，從而把大多數(shù)汽化及熔化材料迅速濺射出去而形成小孔，但一部分未能濺射出去而殘留的融熔物圍繞孔壁重新凝固形成重熔層(大約在幾微米至幾十微米量級(jí))，重熔層內(nèi)易產(chǎn)生微裂紋，甚至可能進(jìn)入材料基體，是導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)葉片在工作中疲勞斷裂的主要隱患之一。圖5為激光打孔及打磨清理去除重熔層的宏觀照片。

為了解決上述難題，國(guó)外嘗試采用激光-電火花復(fù)合打孔技術(shù)，即首先采用激光去除陶瓷面層，再采用電火花在金屬粘結(jié)層和高溫合金基體進(jìn)行打孔。通過(guò)調(diào)Q激光器獲得高峰值功率，窄脈寬脈沖激光可以有效降低激光對(duì)界面的熱影響，避免陶瓷面層內(nèi)部及金屬粘結(jié)底層/高溫合金基體界面處產(chǎn)生裂紋、分層現(xiàn)象。

據(jù)報(bào)道，德國(guó)摩天宇(MTU)高壓渦輪導(dǎo)向葉片修理過(guò)程中即采用先涂敷熱障涂層后激光打孔這一工藝路線(如圖6所示)。英國(guó)溫伯樂(lè)公司(Winbro)采用激光打孔技術(shù)對(duì)不同涂敷厚度的熱障涂層進(jìn)行了不同角度激光打孔試驗(yàn)。通過(guò)優(yōu)化激光打孔和涂層涂覆工藝參數(shù)可以避免陶瓷面層分層和粘結(jié)層/高溫合金基體界面裂紋的產(chǎn)生。該工藝采用的GUI控制軟件可以讓每個(gè)脈沖具有不同的激光參數(shù)。在陶瓷面層打孔時(shí)使用正確的峰值功率/脈沖能量組合以降低激光束能量對(duì)界面的熱損傷，當(dāng)打到基體時(shí)應(yīng)采用足夠高的峰值功率，以便在很短的時(shí)間內(nèi)完成打孔，減少氣膜孔孔徑內(nèi)。

據(jù)了解，Winbro公司對(duì)渦輪葉片涂層(基體3 mm厚，涂層0.65 mm厚)進(jìn)行30°、0.65 mm直徑氣膜孔加工時(shí)，重熔層平均厚度為29 μm 。該工藝已在航空制造上應(yīng)用[14-15]。鑒于該法有望成為解決涂敷涂層過(guò)程中氣膜孔堵塞、涂敷涂層葉片激光打孔重熔層過(guò)厚及裂紋的有效途徑，針對(duì)涂覆熱障涂層試片進(jìn)行激光-電火花復(fù)合加工探索研究，相應(yīng)的結(jié)果如圖7所示。從圖7可以觀察到，初步研制的工藝可以穿透熱障涂層。但孔的邊緣出現(xiàn)了涂層重熔區(qū)，陶瓷面層、金屬粘結(jié)底層及單晶高溫合金基體內(nèi)部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，陶瓷面層則出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)涂敷熱障涂層導(dǎo)致的渦輪葉片氣膜孔孔徑縮小規(guī)律重復(fù)性差，放大后的氣膜孔形狀發(fā)生變化; (2)采用打磨針對(duì)涂敷涂層后的渦輪葉片氣

圖7 氣膜孔附近涂層表面

膜孔進(jìn)行打磨可以去除氣膜孔內(nèi)多余涂層，但存在孔口涂層脫落的風(fēng)險(xiǎn)和隱患，操作者需要非常有耐性，不適合批量生產(chǎn);

(3)對(duì)涂敷完涂層葉片進(jìn)行激光-電火花復(fù)合打孔技術(shù)仍需進(jìn)一步完善相關(guān)工藝，解決裂紋問(wèn)題。