抗沖蝕磨損涂層的研究及應用進展*

林松盛，周克崧，代明江

廣東省新材料研究所，現代材料表面工程技術國家工程實驗室，廣東省現代表面工程技術重點實驗室，廣東 廣州，510650

磨損是引起機械工業(yè)零部件及材料失效的主因之一，據不完全統計，因磨損引起零部件失效約占80%．中國工程院2007年摩擦學科學及工程應用現狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究報告[1]顯示，僅在2006年一年我國因磨損引起的經濟損失就高達9500 億元．因此，磨損問題已成為制約工程材料應用的主要技術問題之一．

工程材料的磨損方式有多種形式，其中沖蝕磨損是一種較為常見的形式，而且沖蝕磨損對工業(yè)生產具有極大的危害性[2]．例如：塵?；蛏傲Ω咚傩D飛機發(fā)動機的沖蝕磨損，可使其壽命下降90%；壓縮機葉片因沖蝕磨損，導致局部失速；火力發(fā)電系統中的管路、煤氣化系統中的耐磨件、泥漿泵中的過流部件等，均存在沖蝕磨損[3-5]；管道輸送裝置中，管道在彎頭處的沖蝕磨損率約是直管處的50倍[6]．為有效地控制和減少沖蝕磨損造成的損耗，提高裝備和材料的使用壽命及可靠性，國內外學者進行了多方面的研究，采用表面技術在基材表面涂覆一層具有一定厚度的陶瓷或合金涂層，是一種行之有效的防護措施．本文對抗沖蝕涂層材料的研究進展及其應用現狀進行簡要介紹．

1 抗沖蝕磨損涂層的研究概況

利用表面工程技術制備抗沖蝕磨損涂層的方法主要包括：電鍍(涂覆)、堆焊、激光表面熔覆、熱噴涂和氣相沉積(物理氣相沉積、化學氣相沉積)等．

1.1 電鍍(涂覆)技術

電鍍及涂覆技術是傳統的表面技術，最早的抗沖蝕涂層也是利用電鍍及涂覆技術進行制備的，此類涂層主要包括有Ni-Cd鍍層、FT-16氟橡膠涂層、Al2S低溫滲鋁外加硅酸鹽涂層及WZL-TWL無機鋁涂層[7]．此類涂層起初應用于飛機發(fā)動機用壓氣機葉片，并起到一定程度的抗沖蝕防護作用，尤其是無機鋁涂層至今仍是國內航空發(fā)動機壓氣機葉片的主要防護涂層．但是，此類涂層存在表面光潔度差，從而影響了發(fā)動機氣動性能及抗沖蝕磨損性能，不能滿足發(fā)動機技術發(fā)展的要求．此外，有機涂層存在不耐高溫的缺點，而Ni-Cd鍍層易引起“鎘脆”等負作用．因此，電鍍及涂覆技術進行制備的涂層不能完全滿足目前航空發(fā)動機對抗沖蝕性能的要求．

1.2 熱噴涂技術及激光熔覆技術

利用熱噴涂技術制備抗沖蝕磨損涂層，主要有WC系列涂層[8-11]、Cr3C2/NiCr系列涂層[12-14]、Al2O3陶瓷涂層[15-17]及合金涂層[18-20]等．熱噴涂技術由于自身特點，在制備抗沖蝕磨損涂層方面具有效率高、便捷及易獲得厚涂層等優(yōu)點，適合于煤碳、電力及航空航天等行業(yè)中的大型部件表面抗沖蝕磨損涂層的制備．但該技術所制備的涂層存在表面粗糙度高、難以制備薄涂層(增重大)及涂層與基體的結合強度一般等缺點，不適合用于精密部件表面抗沖蝕磨損涂層的制備．

激光熔覆抗沖蝕磨損涂層與基材之間為冶金結合，特別適合于在惡劣工況下的部件表面處理，但所制備的涂層存在脆性大、易有氣孔和裂紋等問題，這也是該技術推廣的障礙．因此，如何解決這些問題是該技術的研究重點．此外，有報道[21-23]指出，采用激光重熔熱噴涂涂層，可大幅度地提升涂層與基材的結合強度，從而進一步提高涂層的抗沖蝕磨損性能．因此，對于一些在惡劣工況下使用的部件可采用熱噴涂和激光熔覆復合技術相結合的方法來制備抗沖蝕磨損涂層．

1.3 氣相沉積技術

氣相沉積技術主要包括化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)和物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)．

1.3.1 化學氣相沉積

在利用CVD技術制備抗沖蝕磨損涂層方面，由于CVD沉積技術有一定的局限性，其主要原材料來源于氣體，因此涂層系列比較簡單，主要有TiN，TiC，BC，A12O3和金剛石膜等[24-29]．此外，化學氣相沉積處理所需溫度較高，對基材有一定的負作用(如疲勞強度下降等)，這對基體材料有一定的限制．因此，采用化學氣相沉積技術制備抗沖蝕磨損涂層的報道較少，也幾乎沒有獲得實際應用．

1.3.2 物理氣相沉積

PVD技術具有所制備的涂層結合力良好、細膩致密，膜層成分和厚度容易控制，以及沉積溫度低、基材可選擇范圍寬等優(yōu)點．利用PVD技術進行抗沖蝕涂層制備的研究開發(fā)較為廣泛，制備方法主要為真空陰極電弧沉積和磁控濺射技術．國外對PVD制備的金屬氮化物(MeN)抗沖蝕涂層應用于飛機發(fā)動機壓氣機葉片防護研究表明，此類涂層抗沖蝕磨損性能優(yōu)異，且對飛機發(fā)動機氣動性能影響小，在該領域非常有應用前景．

1.3.2.1 二元及多元涂層

PVD技術制備二元或多元陶瓷抗沖蝕磨損涂層，主要的涂層體系包括：簡單金屬氮化物、碳化物及碳氮化物，如TiN，ZrN，CrN，VN，TaN，MoN，NbN，TiC，VC和TiCN等30-36]；在簡單金屬氮(碳)化物涂層中加入Al，Si和B等合金化元素形成的多元陶瓷涂層，如TiAlN，TiSiN，CrAlN，CrSiN，CrTiAlN和TiSiCN等涂層[37-41]．

在PVD制備抗沖蝕磨損涂層的研制過程中，TiN涂層可使飛機發(fā)動機壓氣機部件的壽命提高2～3倍，是最早被批準用于航空發(fā)動機抗沖蝕磨損的防護涂層[42]．

1.3.2.2 多層復合涂層

抗砂粒沖蝕磨損涂層研制初期，由于對沖蝕機理認識的局限性，普遍認為提高涂層硬度是提升抗沖蝕磨損能力的關鍵因素．然而，單層的金屬氮化物硬質涂層在抗沖蝕磨損性能方面的一些缺陷也顯現出來，如涂層內應力較大、脆性高、斷裂韌性低，導致涂層在受到砂粒沖擊時極易出現裂紋[43]．有文獻報道[44]，PVD技術制備的單層金屬氮化物陶瓷涂層最大厚度僅為6～8 μm．在涂層較薄的情況下，其抗沖蝕磨損性能是有限的，難以滿足相關部件的防護要求．此外，金屬氮化物硬質涂層一般為柱狀晶結構(見圖1)，其存在一定數量的孔隙或缺陷，這些缺陷會成為腐蝕通道，導致粘附性變差，從而使抗沖蝕磨損性能下降．

圖1 柱狀晶結構TiN膜Fig.1 Columnar crystal structure of the TiN film

多元、多層、梯度納米復合涂層成為抗沖蝕磨損涂層研究的趨勢，分別有關于Ti/TiN涂層[45]、TiN/TiN1-x涂層[46]、Me/TiN涂層[47]和TiN/NbN[48]等涂層的研究報道．這類涂層中有大量的層間界面，這些界面可抑制柱狀晶生長，消散沖蝕粒子能量，阻止裂紋源萌生和緩沖裂紋擴散．同時，中間層可一定程度地釋放涂層中的殘余應力，協調形變，提高涂層結合強度及韌性．

德國MTU公司推出了一種用于飛機發(fā)動機壓氣機葉片抗沖蝕磨損的防護涂層，如圖2所示．該涂層為典型的多層結構，由高硬度的金屬氮化物陶瓷層和韌性佳的金屬層交替組成，單一周期層厚約3 μm，涂層總厚度為20～30 μm．通過以鈦合金為基材的單層TiN涂層和多層結構涂層的抗沖蝕性能對比，結果顯示多層涂層的抗沖蝕能力最好[49]．

圖2 多層涂層截面形貌及其抗沖蝕效果對比Fig.2 Multilayers cross-sections and anti-erosion performance comparison

廣東省新材料研究所(原廣州有色金屬研究院新材料研究所)在抗沖蝕磨損多層涂層方面也進行了相關的研究，目前已成功研制出5～30 μm厚度及調制周期可變的Ti-TiN-Zr-ZrN軟硬交替微納米結構的多層涂層(圖3)[50-53]．圖3中深色部分為Ti-TiN層，淺色部分為Zr-ZrN層，Ti-TiN-Zr-ZrN為一個周期，圖3(a)有6個周期，多層涂層的總厚度為9.61 μm，圖3(b)有96個周期，多層涂層的總厚度達到26.58 μm；多層涂層與鈦合金基底結合力達50 N以上，硬度大于3000 Hv，在涂層破損之前同等沖蝕砂量條件下，其沖蝕坑深度是鈦合金材料的1/5～1/12，抗沖蝕性能提高顯著．

圖3 Ti-TiN-Zr-ZrN多層涂層截面形貌(a) 6個周期；(b) 96個周期Fig.3 Ti-TiN-Zr-ZrN multilayers cross-sections(a) 6 cycles；(b) 96 cycles

現有電弧離子鍍技術所制備的膜層中存在未經離化的金屬顆粒，從而大幅度地降低了膜層的綜合性能，特別是抗沖蝕磨損能力．在工程化應用研究中發(fā)現，在同一工藝條件下基體材料表面粗糙度對多層膜性能的影響很大，降低基體表面粗糙度，有利于改善膜/基結合力、抗沖刷能力和耐腐蝕性能，為了獲得良好的膜層綜合應用性能，待處理的目標工件的表面粗糙度必須控制在Ra<0.40 μm[54]．同時，也研究了電弧離子鍍Ti-TiN-Zr-ZrN涂層對TC11鈦合金疲勞性能的影響．結果表明，所研制的涂層能明顯改善鈦合金基材的高周疲勞和疲勞強度，但對其低周疲勞有一定的負作用[55]．分析認為主要是由于所制備的Ti-TiN-Zr-ZrN涂層硬度高達25～30 GPa以上，涂層施加于鈦合金材料表面后限制了整體的形變，在高應力低周疲勞條件下，萌生了更多的裂紋源，進而降低了材料的疲勞性能．

Holeck等人[56-57]為更好理解多層膜(涂層)的組成和特性，把多層膜(涂層)分為三類：層數較少涂層，其多層結構的主要作用是中斷各單層膜柱狀晶生長；層數多且由不同結構材料組成的多層涂層，由于此類涂層存在大量層間界面，不僅可擬制柱狀晶的長大，也可消散能量，實現不同功能涂層材料的組合；超晶格多層膜，該類涂層的主要特點是層數多且層薄(幾納米)，各單層材料晶格常數相近，所獲得超晶格多層膜與各單層材料性能差異顯著．

2 硬質抗沖蝕涂層的應用情況

在海灣戰(zhàn)爭中，美軍CH53E直升機T-64發(fā)動機壓氣機葉片在沙漠環(huán)境下沖蝕問題十分突出，飛行壽命從普通環(huán)境的2000 h下降到約100 h，并且直接威脅到飛行安全．因此，航空發(fā)動機壓氣機部件表面抗沖蝕防護顯得尤為重要，科技工作者紛紛對飛機發(fā)動機壓氣機部件用抗沖蝕磨損涂層進行研究．圖4為葉片、葉盤和葉輪具體實物[58]．

圖4 帶涂層壓氣機用部件實物圖Fig.4 Compressor parts with coating

國外(特別是歐洲及美國)早在二十世紀七十年代就開始進行利用PVD技術在壓氣機部件表面制備硬質抗沖蝕磨損涂層的研究開發(fā)工作，也經歷了從單層的簡單二元金屬氮(碳、硼)化物涂層到多元多層復合涂層的過程，通過對涂層成分及結構的設計，使其具有良好韌性及抗砂粒沖蝕磨損性能，最終實現應用．

俄羅斯從前蘇聯時期就開始進行抗沖蝕磨損涂層的研究開發(fā)工作，并已將TiN基多元多層抗沖蝕磨損涂層成功應用于TV2-117和TV3-117發(fā)動機，裝配該發(fā)動機的直升機型號分別有Mi-8，Mi-8MTV，Mi-17，Mi-24，Mi-28，Ka32，Ka50和Ka52等，在沙漠環(huán)境下使用抗沖蝕涂層的發(fā)動機壓氣機沖蝕損耗率由未使用涂層的80%降低至約3%．美國在二十世紀七十年代就開始研究利用PVD技術制備的TiN基硬質涂層的抗沖蝕磨損性能及其對基材力學性能的影響，該類涂層應用于海軍CH-46E運輸直升機發(fā)動機引擎螺旋漿葉片上，從而使葉片的使用壽命提升了3倍以上．近期有報道[59]，美國在H-53直升機的T64發(fā)動機采用多元多層抗沖蝕磨損涂層，并于2005年將該類涂層應用于飛機、直升機和坦克等國防用發(fā)動機上．

加拿大Liburdi公司自1988年開始研究開發(fā)抗沖蝕磨損涂層，于1992年將該類涂層應用于T64和T58發(fā)動機上；美軍的C130大力神飛機裝配的T56發(fā)動機也于1993年開始使用該類涂層，1996年開始實現批量生產及擴大應用；以色列空軍于1999年開始采用Liburdi公司生產的抗沖蝕磨損涂層T56發(fā)動機．2000年至2003年期間，Liburdi公司將該類抗沖蝕磨損涂層進一步擴展應用到T55，T58，T64和AE1107等型號發(fā)動機，裝配的主要機型有H53直升機、DHC5水陸兩用飛機和C130大力神飛機．2004年，Liburdi公司為英國Rolls-Royce公司涂層加工服務超過了2000臺套的T56發(fā)動機壓氣機葉片．沙特阿拉伯和約旦空軍于2007年開始選用Liburdi公司生產的抗沖蝕涂層T56發(fā)動機．2008年，Liburdi公司開始推出第三代抗沖蝕磨損涂層，其是一種含Al的涂層．法國的“幻影”飛機及英國“三貓”直升機發(fā)動機壓氣機葉片也采用了PVD技術所制備的抗沖蝕磨損涂層．

抗沖蝕磨損涂層在汽輪機葉片和煙氣輪機葉片也得到應用．美國西屋公司生產的汽輪機葉片選擇采用抗沖蝕磨損涂層，評價依據是基于實際葉片上涂層的抗沖蝕磨損性能、顯微結構、疲勞性能和涂層材料的蠕變強度等．美國D-R公司生產的煙氣輪機葉片就采用WC基復合涂層，而美國ELC公司則采用Cr2O3陶瓷涂層．國內在硬質抗沖蝕涂層方面尚處研究開發(fā)起步階段，實際應用較少，遠落后于國外發(fā)達國家．

3 結 語

在抗沖蝕磨損涂層方面的發(fā)展，國外很多國家是從最早的電鍍鍍層、橡膠涂層和無機含Al涂層開始，到后來發(fā)展成利用氣相沉積、熱噴涂及激光熔覆等現代表面工程技術研制硬質抗沖蝕耐磨涂層，特別是利用物理氣相沉積技術研制了二元陶瓷涂層、多元陶瓷涂層和多元多層軟硬相間復合涂層等，并成功地應用于航空發(fā)動機壓氣機部件、汽輪機葉片及煙氣輪機葉片上．雖然國內在抗沖蝕磨損涂層方面也有研究報道，但均處于起步階段，采用物理氣相沉積技術制備的用于抗沖蝕耐磨的陶瓷硬質涂層仍沒有在實際中得到應用．我國在抗沖蝕磨損涂層制備技術及應用落后于歐美等發(fā)達國家，從而導致國產飛機在砂塵環(huán)境下的飛行壽命短、可靠性及安全性能差，這在一定程度上制約了我國的國防能力．毋庸置疑，國內要使抗沖蝕磨損涂層真正應用于航空航天事業(yè)，還需要做大量的研究工作和驗證．