航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)葉片涂層概述

崔慧然，李宏然，崔啟政，任建偉，翟永杰，張喬

（無錫透平葉片有限公司，無錫 214174）

0 前言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱“兩機(jī)”）的技術(shù)不斷發(fā)展和使用要求的不斷提高，其工作溫度也逐步升高，工作環(huán)境也會(huì)千差萬別。目前先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)段的出口溫度已經(jīng)超過650℃，而燃燒室溫度可以接近2000℃，高壓渦輪進(jìn)口溫度可以達(dá)到1650-1750℃[1]。而目前常規(guī)的Ni基高溫合金的最高使用溫度只能承受1080℃，基體材料所能承受的溫度有限，且長(zhǎng)時(shí)間工作在高溫環(huán)境下基體耐熱腐蝕和耐氧化的性能也會(huì)降低[2-3]。而海洋環(huán)境和沙塵環(huán)境對(duì)“兩機(jī)”葉片的侵蝕更是會(huì)極大地導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)葉片壽命降低。為了提高其壽命、抗疲勞性能及發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，葉片需要具備能夠承受氧化腐蝕、高速氣流沖刷、抗高溫蠕變及熱機(jī)械疲勞長(zhǎng)期工作而不致失效的能力，在葉片上使用合適的涂層防護(hù)技術(shù)便是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方式。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片及渦輪葉片圖示Fig.1 Diagramofcompressor blades and turbine blades for Aero-engine and Gas Turbine

本文主要圍繞“兩機(jī)”壓氣機(jī)葉片及渦輪葉片涉及涂層的分類、涂層制備技術(shù)現(xiàn)狀、主要性能指標(biāo)，結(jié)合在無錫透平葉片有限公司的研制及批產(chǎn)應(yīng)用情況進(jìn)行論述。

1 “兩機(jī)”壓氣機(jī)葉片涂層

“兩機(jī)”壓氣機(jī)葉片涂層按葉片部位及功能分為葉根榫頭抗微動(dòng)磨損涂層、型面防腐蝕涂層、抗沖蝕涂層和阻燃涂層四大類。

1.1 葉根榫頭抗微動(dòng)磨損涂層

1.1.1 CuNiIn涂層

微動(dòng)磨損是指兩接觸面發(fā)生極小幅度的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的磨損損傷，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪葉片安裝聯(lián)結(jié)部位一種常見故障，發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化、要求的輕、薄、柔性結(jié)構(gòu)以及高轉(zhuǎn)速等帶來的微動(dòng)磨損問題比較嚴(yán)重。鈦合金因摩擦系數(shù)大、耐高溫磨損性能較差，相比其他材料，對(duì)微動(dòng)磨損更加敏感[4]。發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金壓氣機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過程中震動(dòng)會(huì)造成榫頭與輪盤隼槽發(fā)生微動(dòng)磨損，使基體消耗、連接間隙增大，影響其使用壽命及機(jī)組的安全可靠性。CuNiIn涂層因具有硬度低、耐腐蝕和抗高溫性能好等特點(diǎn)，常用作壓氣機(jī)葉片的工作面抗微動(dòng)磨損涂層。

圖2 壓氣機(jī)葉片CuNiIn涂層Fig.2 CuNiIn coatings on compressor blades

CuNiIn涂層是在Cu涂層基礎(chǔ)上改良的軟質(zhì)金屬涂層，提高了涂層硬度，減小了磨損損傷，與Cu涂層相比雖微動(dòng)磨損防護(hù)效果有所降低，但綜合性能得到提高。CuNiIn涂層的制備方法有大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂等方法，其中大氣等離子噴涂CuNiIn涂層最為常見，通過氫氣電離形成等離子火焰將送入火焰的粉末熔化、噴射到工件表面，涂層質(zhì)量受預(yù)熱溫度、噴涂距離、送粉量等因素影響重大。受大氣等離子噴涂工藝限制，涂層氧化物含量偏高，電弧噴涂技術(shù)可以制備更加致密、光滑、結(jié)合強(qiáng)度高的涂層[5-6]。

目前，CuNiIn涂層已在GE、Rolls-Royce、SNECMA等發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商的產(chǎn)品上得到應(yīng)用。如GE某機(jī)組鈦合金壓氣機(jī)葉片，要求在工作面噴涂厚度為127±50μm的CuNiIn涂層，剪切強(qiáng)度至少需要達(dá)到44.4MPa。

國(guó)內(nèi)外在鈦合金抗微動(dòng)磨損方面做了大量研究，大致可以分為三類：第一類為表面改性技術(shù)，如滲氮、激光硬化、噴丸等；第二類為表面涂層技術(shù)，如熱噴涂、微弧氧化等；第三類為涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在抗微動(dòng)磨損的同時(shí)保證微動(dòng)疲勞性能。CuNiIn涂層作為常用微動(dòng)磨損防護(hù)方法之一，成為熱門研究對(duì)象。靳磊等[7]對(duì)CuNiIn微動(dòng)磨損涂層失效機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為涂層表面在服役過程中伴隨著粘著、加工硬化、氧化、磨屑剝落等復(fù)雜過程，并生成Cu2O、Cu0.1Ni0.9O1、CuInO2等物質(zhì)，基于密度泛函理論第一原理得出生成物CuInO2對(duì)CuNiIn涂層服役形成不利影響。李琪[8]等對(duì)比研究了MoS2-Ti/CuNiIn多層膜和MoS2-Ti、CuNiIn單層膜的高溫抗微動(dòng)磨損性能，發(fā)現(xiàn)多層膜交替結(jié)構(gòu)清晰、致密，具有更好的高溫抗微動(dòng)磨損性能。郭志宏[9]等以TC4為基體材料，研究了電弧噴涂工藝參數(shù)對(duì)CuNiIn涂層性能的影響，優(yōu)化涂層制備工藝，獲得了性能和結(jié)構(gòu)良好的涂層，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片工作面制備質(zhì)量更加優(yōu)良的CuNiIn涂層進(jìn)行了深入探討。吳軒璇[10]等以TC4-DT合金為基體材料，研究了超音速火焰噴涂CuNiIn涂層組織結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了涂層對(duì)基體疲勞極限的影響，使用CuNiIn涂層后磨損體積降低62%。

1.1.2 干膜潤(rùn)滑涂層

干膜潤(rùn)滑涂層（Dry Film Lubricants）又稱固態(tài)潤(rùn)滑涂層，是將潤(rùn)滑介質(zhì)分散于無機(jī)或有機(jī)粘結(jié)劑中，通過不同的制備方法將其涂敷到工件表面，減少摩擦磨損[11]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭部位由于工作條件惡劣，承受巨大的離心負(fù)載及微動(dòng)磨損等損傷，易造成葉根榫頭磨損，裝配間隙增大。干膜潤(rùn)滑技術(shù)可以有效地解決這一難題，將干膜潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭部位，可以防止微動(dòng)磨損對(duì)葉片榫頭的損傷，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，延長(zhǎng)其使用壽命[12-13]。

目前，干膜潤(rùn)滑涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上主要應(yīng)用于葉根工作面噴涂，以減少葉根榫頭表面的摩擦系數(shù)，有效地降低葉根壓力工作面的磨損，提高葉片的抗微動(dòng)磨損性能。常見的潤(rùn)滑涂層主要有：石墨基潤(rùn)滑涂層、二硫化鉬基潤(rùn)滑涂層等[14-15]。GE某壓氣機(jī)葉片工作面所使用的石墨基潤(rùn)滑劑的工況使用溫度可以達(dá)到760℃，Rolls-Royce某壓氣機(jī)葉片工作面所使用的二硫化鉬基潤(rùn)滑劑工況使用溫度可以達(dá)到300℃。

圖3 壓氣機(jī)葉片干膜潤(rùn)滑涂層（石墨涂層）Fig.3 Dry Film Lubricants coatings on compressor blades

干膜潤(rùn)滑涂層的制備方法主要為涂刷、噴涂、沉浸等方法，較為常用的方法為噴涂法，噴涂法制備的干膜潤(rùn)滑涂層具備操作簡(jiǎn)單、噴涂效率高，涂層厚度均勻等優(yōu)點(diǎn)。

葉片在進(jìn)行干膜潤(rùn)滑涂層噴涂前需要進(jìn)行表面處理（如噴砂、噴丸等），使得待噴涂表面粗糙度在合適范圍內(nèi)，增強(qiáng)葉根工作面與涂層之間的附著力。葉片工作面在噴涂完涂料后需要進(jìn)行相應(yīng)的表干工序及固化工序，固化后的涂層才能滿足工況使用需求。

干膜潤(rùn)滑涂層在批產(chǎn)過程中主要檢測(cè)指標(biāo)有：外觀、涂層厚度、附著力。而在進(jìn)行首件鑒定時(shí)常見的檢測(cè)項(xiàng)目有：耐高溫性能、耐低溫性能、耐液體介質(zhì)、耐磨損性能、熱穩(wěn)定性能等。

干膜潤(rùn)滑涂層的種類日益增多，其應(yīng)用也越來越引起人們的重視和關(guān)注。干膜潤(rùn)滑涂層在航空工藝上的應(yīng)用在國(guó)外已十分普遍，它不僅可以滿足現(xiàn)代航空工業(yè)在高溫、高速、長(zhǎng)壽命等方面的要求，它還起到節(jié)約能源和原材料的作用。目前，國(guó)內(nèi)外干膜潤(rùn)滑涂層主流的噴涂方式采用手工噴涂，隨著“兩機(jī)”產(chǎn)業(yè)對(duì)涂層質(zhì)量要求的日益提升，可制備出成分均勻、性能一致的干膜潤(rùn)滑涂層的機(jī)器人噴涂方式成為該涂層現(xiàn)階段關(guān)注熱點(diǎn)。無錫透平葉片有限公司通過自主研發(fā)，建成了干膜潤(rùn)滑涂層全自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線，并批量應(yīng)用于GE和RR的“兩機(jī)”壓氣機(jī)葉片榫頭的干膜潤(rùn)滑涂層制備。

1.1.3 鍍銀涂層

在壓氣機(jī)葉根工作面鍍銀，具備與干膜潤(rùn)滑涂層類似的功能，能夠減少摩擦力及微動(dòng)磨損。另外，由于鍍銀具有較好的防腐蝕功能，鍍銀也被用于壓氣機(jī)葉片凸臺(tái)的表面防腐蝕[16]。

在壓氣機(jī)葉片上鍍銀的主要方法為電鍍法。如下為某壓氣機(jī)葉片葉根工作面鍍銀主要工序：消除應(yīng)力——裝掛——除油——絕緣——清理——腐蝕——沖擊鍍鎳——沖擊鍍銀——鍍銀——清洗、干燥——除脆——防腐——檢驗(yàn)。

壓氣機(jī)葉片鍍銀工藝在批產(chǎn)過程中常見的測(cè)試項(xiàng)目有：外觀檢測(cè)、鍍層厚度檢測(cè)、裂紋檢查。

1.2 型面防腐蝕涂層

圖4 壓氣機(jī)葉片型面防腐蝕涂層Fig.4 Dry Film Lubricants coatings on compressor blades

壓氣機(jī)葉片是燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的主要組成部分，壓氣機(jī)的使用性能對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能產(chǎn)生直接影響。壓氣機(jī)葉身部分（流道面）在使用過程中直接受到高速、高壓、潮濕的大氣沖蝕從而失效，其中由于腐蝕造成的失效尤為嚴(yán)重[17]。在壓氣機(jī)葉身部分涂敷型面防腐蝕涂層能夠有效地較少葉身受到的腐蝕損傷，目前壓氣機(jī)葉身防腐蝕涂層應(yīng)用較多的是無鉻鋅鋁涂層。達(dá)克羅涂層（Dacromet）是指由片狀鋅粉、片狀鋁粉、潤(rùn)濕劑、分散劑、還原劑、去離子水及其它助劑等組成的混合溶液，攪拌均勻后涂敷在工件表面，在300℃下固化而成的涂層，達(dá)克羅涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。無鉻鋅鋁涂層是達(dá)克羅涂層改進(jìn)后的涂層，它不僅保留了達(dá)克羅涂層的耐腐蝕能力，還具有良好的耐有機(jī)溶劑侵蝕的性能，且更加的環(huán)保[18]。

常見的無鉻鋁涂層主要由兩層組成：底層-耐腐蝕涂層+面層-封閉涂層。常見的涂料牌號(hào)有：Alseal519，Alseal598等。底層的功能主要為基體提供陰極保護(hù)，在高溫腐蝕環(huán)境下，通過陽極犧牲的方法為基體提供防腐蝕保護(hù)；面層的功能是提高底層防腐蝕涂層的平整度，通過降低涂層的消耗來延長(zhǎng)涂層防腐蝕壽命。葉片型面防腐蝕涂層的制備方法主要為手工噴涂，這是由于葉片型面形狀復(fù)雜，手工噴涂靈活性更好。

1.3 抗沖蝕涂層

直升機(jī)或運(yùn)輸機(jī)在沙漠區(qū)域起降或低空飛行過程中，環(huán)境中的鹽粒、砂粒、火山灰在旋翼下洗氣流的誘導(dǎo)下高速吸入發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)部件受砂塵沖蝕損傷十分嚴(yán)重；尤其是處于發(fā)動(dòng)機(jī)最前端的壓氣機(jī)葉片，在砂塵的沖擊和磨損作用下，壓氣機(jī)葉片外形和結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減、壽命降低，嚴(yán)重影響作戰(zhàn)效能和安全可靠性[19]。通過抗沖蝕涂層是解決壓氣機(jī)葉片沖蝕損傷最有效的手段，帶有涂層的壓氣機(jī)葉片在腐蝕環(huán)境下壽命可提高2～3倍。

目前，國(guó)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片已廣泛使用二元抗沖蝕涂層，如美國(guó)CH-46E運(yùn)輸機(jī)螺旋槳葉片使用了TiN涂層，法國(guó)幻影戰(zhàn)機(jī)前兩級(jí)壓氣機(jī)葉片使用TiN涂層，俄羅斯米格28直升機(jī)壓氣機(jī)葉片使用了TiN、CrC等涂層，英國(guó)“山貓”直升機(jī)壓氣機(jī)也同樣使用抗沖蝕涂層。而近幾年，GE、MDS-PRAD等公司開發(fā)了ER7和BlackGold陶瓷涂層，其成分主要為TiN和TiAlN，兩相交替排列，并通過一過渡層與基體緊密結(jié)合。其涂層的斷裂韌性和抗沖蝕能力都有較大幅度的提升[20]。

國(guó)內(nèi)對(duì)多元抗沖蝕涂層也做了大量研究，主要研究的涂層有TiAIN、ZrAlN、ZrN/TiN、Al/AlN、Ti/TiN、Cr/CrN等，這些復(fù)合涂層的韌性承受較多的蘇醒變形，硬質(zhì)脆性則發(fā)揮著增強(qiáng)涂層抗磨損的作用。但能應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的抗沖蝕涂層很少，還不能充分滿足實(shí)際技術(shù)要求。

我國(guó)在抗沖蝕涂層領(lǐng)域存在機(jī)理研究不深入、缺少涂層設(shè)計(jì)以及考核體系不完善等關(guān)鍵問題，這些都是我國(guó)抗沖蝕涂層領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究重點(diǎn)?？箾_蝕涂層脆性較大，增加了合金表面裂紋萌生的傾向，從而降低合金的抗疲勞性能，是亟待解決的技術(shù)難題。開展合金化多元涂層及復(fù)合涂層研究，即向二元陶瓷涂層中加入A1、Cr、Si、B、Hf等元素，以提高涂層耐海洋腐蝕性能，目前這些工作還處在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段[21],仍有很多工作要做。

1.4 阻燃涂層

鈦合金因其比強(qiáng)度高、耐熱性能好、耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的制造，從而減輕質(zhì)量和提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。但鈦合金葉片在劇烈撞擊、摩擦等條件下會(huì)發(fā)生快速氧化燃燒，引發(fā)“鈦火”故障[22]，造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零部件的損壞，且來不及采取補(bǔ)救措施，后果極其嚴(yán)重。如何解決鈦合金阻燃已成為發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中一項(xiàng)急需解決的問題。

阻燃涂層技術(shù)、阻燃合金、表面合金化是解決“鈦火”的三種技術(shù)途徑，其中阻燃涂層技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，且可控性較高。阻燃涂層是采用先進(jìn)的涂層制備方法在鈦合金領(lǐng)域見表面，尤其是再容易發(fā)生摩擦的表面涂覆一種那燃燒的材料，使得在一定溫度和能量的沖擊下起到阻燃的作用。所以阻燃涂層的性能要求具備良好的導(dǎo)熱性、耐磨性、摩擦系數(shù)低、燃燒熱值低及良好的抗氧化性能。

國(guó)外對(duì)阻燃涂層技術(shù)研究較早，在20世紀(jì)60年代NASA針對(duì)鈦合金基體防護(hù)開展了一項(xiàng)涂層研究計(jì)劃[23-24]，其目的是開發(fā)一種新的涂層體系，在不降低能量輸入的情況下，既不造成鈦合金的燃燒，也不影響鈦合金的力學(xué)性能（高周疲勞）。該項(xiàng)目研究了十幾種涂層，正對(duì)不同涂層進(jìn)行了燃燒試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果下表1所示。該研究在特殊制造的燃燒試驗(yàn)臺(tái)上，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣流通道的環(huán)境條件，在不同的溫度、壓力和速度等條件下，測(cè)試涂層的阻燃性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的條件下，有8種涂層具備良好的阻燃性能，但隨著氣流溫度和壓力的升高，涂層的阻燃性能逐漸消弱，當(dāng)達(dá)到455℃+0.96MPa的條件下，涂層阻燃能力消失。為了研究涂層對(duì)鈦合金高周疲勞強(qiáng)度的影響，研究人員還進(jìn)行了涂層后試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明，涂覆離子蒸發(fā)沉積Al(IVD Al)和電鍍Pt-Cu-Ni涂層試樣的高周疲勞壽命與空白對(duì)比試樣合金高周疲勞壽命相同。NASA還研究了離子蒸發(fā)沉積Al(IVD Al)和電鍍Pt-Cu-Ni涂層兩種涂層在高沖擊能量條件下的阻燃性能測(cè)試，結(jié)果同樣表明這兩種涂層具備有效防止“鈦火”的能力，是較好的鈦合金阻燃涂層[25]。

表1 鈦合金阻燃涂層（%燃燒）Table.1 Titanium alloy flame retardant coating

目前，阻燃涂層已廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片的制造，通常涂覆在轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣內(nèi)環(huán)。涂層材料與鈦合金基體的內(nèi)部組織存在差異，其結(jié)合強(qiáng)度直接影響著涂層的使用壽命，因此選擇合適的涂層材料和制造工藝同樣重要。國(guó)內(nèi)外制備阻燃涂層的方法主要有熱噴涂、離子鍍、電子束物理氣相沉積、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積等。其中機(jī)匣內(nèi)環(huán)阻燃涂層的制備多采用等離子噴涂和爆炸噴涂工藝。

從已有文獻(xiàn)來看，目前國(guó)內(nèi)外在阻燃涂層技術(shù)方面的研究還不是很多，尤其是我國(guó)在近幾年為了提高新機(jī)推重比使用鈦合金零部件，才真正投入經(jīng)費(fèi)進(jìn)行阻燃涂層工程應(yīng)用研究，因此基礎(chǔ)還很薄弱，今后還需要在阻燃涂層的材料、結(jié)構(gòu)和制備、涂層阻燃性能測(cè)試等方面做很多工作，以加快阻燃涂層技術(shù)在新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程。

2 “兩機(jī)”渦輪葉片涂層

“兩機(jī)”渦輪葉片涂層按涂層與基體互擴(kuò)散程度分為熱障涂層、包覆涂層、鋁化物及改進(jìn)鋁化物擴(kuò)散涂層以及相關(guān)的可磨耗封嚴(yán)涂層四大類。

2.1 熱障涂層

熱障涂層是由陶瓷面層和金屬粘結(jié)層構(gòu)成的金屬-陶瓷復(fù)合涂層系統(tǒng)，它沉積在耐熱金屬或超合金的表面，陶瓷面層的作用是形成沿涂層厚度方向上的高溫梯度，減弱高溫氣體向基體的傳熱，提高基體的抗磨損、抗高溫氧化及抗腐蝕性能，粘結(jié)層的作用是使陶瓷層和合金基體物理性能兼容[26]。其可有效降低金屬基體的工作溫度，達(dá)到延長(zhǎng)燃機(jī)壽命、提高熱效率的目的，而被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)高溫葉片上。

典型的熱障涂層在結(jié)構(gòu)上有三種形式：雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)，圖5所示。經(jīng)典雙層結(jié)構(gòu)的熱障涂層包括金屬粘結(jié)層和陶瓷面層，粘結(jié)層一般為MCrAlY或Pt-Al合金，厚度約100～150μm；陶瓷面層厚度約300μm；多層結(jié)構(gòu)是在雙層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上又增加了封阻層，有效降低對(duì)粘結(jié)層的腐蝕和氧化速率，該結(jié)構(gòu)能大大降低導(dǎo)熱系數(shù)，將葉片的耐高溫能力提高260℃，其設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，但因制備工藝比較復(fù)雜，可重復(fù)性差，多處于研發(fā)階段[27]；功能梯度涂層（復(fù)合結(jié)構(gòu)）的高溫合金成分和表面陶瓷成分呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，涂層材料一般是YSZ和MCrAlY的混合物。

圖5 典型熱障涂層結(jié)構(gòu)Fig.5 Classical TBCs structure

熱障涂層的制備方法主要包括高速火焰噴涂(HVOF)、高頻脈沖爆炸噴涂(HFPD)、等離子體噴涂(PS)、電子束物理氣相沉積(EB-PVD)，其中等離子體噴涂和電子束物理氣相沉積應(yīng)用最為廣泛，近年來，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上又開發(fā)了等離子激活電子束物理氣相沉積、懸浮等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積(PS-PVD)等新型制備工藝[28]，其工藝優(yōu)勢(shì)對(duì)比詳見表2。

等離子體噴涂技術(shù)具有溫度高、結(jié)構(gòu)均勻、成膜性好等優(yōu)點(diǎn)，具有普適性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其工藝進(jìn)行改進(jìn)形成了懸浮液等離子噴涂技術(shù)，形成類似柱狀晶的結(jié)構(gòu)，因此具有更精細(xì)尺度的微觀結(jié)構(gòu)特征。

表2 熱障涂層常見制備工藝優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比Table.1 Comparion of the advantages and disadvantages of TBCprocessing

與等離子制備涂層技術(shù)相比，EB-PVD涂層具有以下優(yōu)勢(shì)[29]：(1)柱狀晶結(jié)構(gòu)使涂層具有更高的應(yīng)變?nèi)菹蓿瑹嵫h(huán)壽命比PS涂層提高近8倍；(2)EB-PVD涂層更致密，涂層的抗氧化、抗熱腐蝕性能更好；(3)涂層界面以化學(xué)結(jié)合為主，結(jié)合力顯著提高；(4)表面具有更高的表面光潔度，有利于保持葉片的空氣動(dòng)力學(xué)性能。近年來，等離子輔助沉積與EB-PVD相結(jié)合的技術(shù)研究為熱障涂層發(fā)展指出了新的方向，其兼具了沉積效率高和柱狀晶的優(yōu)點(diǎn)。

HVOF具有下列優(yōu)勢(shì)[30]：(1)火焰流速高，涂層致密且結(jié)合力強(qiáng)；(2)涂層表面光滑；(3)與等離子噴涂相比，其火焰溫度低；(4)設(shè)備簡(jiǎn)單。HVOF法制備熱障涂層的發(fā)展方向是極大限度的提高燃料的燃燒效率、燃燒溫度和焰流速度。

P&W，GE等公司采用EB-PVD制備的熱障涂層已經(jīng)在PW4000，JT9D-7R4，V2500，F(xiàn)100，F(xiàn)119，CF6-80，CFM56-7等發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪導(dǎo)向葉片和工作葉片上獲得了應(yīng)用，其中1994年3月交付使用的PW2000“降溫型”發(fā)動(dòng)機(jī)，其第1級(jí)高壓渦輪工作葉片和導(dǎo)向葉片壽命比原機(jī)型提高兩倍，第2級(jí)高壓渦輪工作葉片壽命比原型機(jī)提高1.5倍[31]，RR公司的發(fā)動(dòng)機(jī)在葉片上、下緣板與燃?xì)饨佑|的表面上也噴有熱障涂層[29]。

熱障涂層失效的主要原因有熱疲勞、高溫氧化、燒結(jié)、蠕變及外來沉積物熔鹽腐蝕[32，33]。其中熱疲勞、高溫氧化、燒結(jié)、蠕變等引起的熱障涂層失效的原因研究較多，已形成了較為系統(tǒng)的理論知識(shí)，外來沉積物熔鹽腐蝕引起熱障涂層失效比較復(fù)雜，且前期研究較少。熱漲涂層外來沉積物的主要成分為CaO、MgO、Al2O3及SiO2，所以一般取其首字母將其簡(jiǎn)寫為“CMAS”。隨著，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)水平的發(fā)展，人們對(duì)熱障涂層提出了更高的要求，如何實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命和高隔熱性成為了熱障涂層的發(fā)展方向。因此，從外來沉積物熔鹽腐蝕機(jī)理入手，探索提高涂層抵抗CMAS腐蝕的方法也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要領(lǐng)域。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作的地理位置及服役環(huán)境的不同，TBCs表面沉積物的成分也存在差異，但其主要成分為CaO、MgO、Al2O3及SiO2（CMAS）。CMAS對(duì)YSZ材料具有極好的潤(rùn)濕性，同時(shí)具有較低的粘度（1200℃時(shí)的粘度約為22Pa·s[34]），因此在高溫條件下可以迅速從表面裂紋滲入到TBCs的內(nèi)部[35]。

研究表明：成分為23.3%CaO，9.2%MgO，19.3%Al2O3，47.7%，SiO2和 0.5%K2O 的 CMAS的玻璃化溫度約為735℃，結(jié)晶化溫度約為910℃，燒結(jié)溫度為884℃。CMAS對(duì)TBCs的影響取決于CMAS的組成和TBCs的工作溫度。在較低溫度下（低于735℃），CMAS顆粒撞擊表面涂層，會(huì)引起腐蝕磨損、冷卻孔堵塞和涂層局部剝落[36]。而在較高溫度下（約1200℃），CMAS在涂層表面熔化而且滲入涂層后與涂層發(fā)生反應(yīng)，破壞YSZ的相結(jié)構(gòu)或造成涂層致密化，降低了涂層的應(yīng)變?nèi)菹?，?dǎo)致涂層中產(chǎn)生橫向裂紋直至剝落失效。在較薄的EB-PVD制備的陶瓷涂層（約0.1mm）中，如果CMAS(或其他熔融沉積物)滲入涂層的厚度達(dá)到30μm時(shí)，涂層將很容易發(fā)生破壞[37]。而在較厚的APS制備的陶瓷涂層（約1mm）中，如果CMAS滲入涂層厚度的一半時(shí)，涂層將剝落失效[38]。

CMAS與涂層接觸會(huì)不斷地與涂層發(fā)生反應(yīng)，顯著降低熱障涂層壽命。為了減少CMAS對(duì)涂層壽命的影響，近年來很多學(xué)者對(duì)涂層抗CMAS滲入的方法進(jìn)行了大量研究。常用的方法為：(1)在YSZ陶瓷層表面制備保護(hù)涂層；(2)優(yōu)化YSZ陶瓷層的成分；(3)制備新型結(jié)構(gòu)熱障涂層。

隨著我國(guó)“兩機(jī)”專項(xiàng)的推動(dòng)，迫切需要研制出高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，熱障涂層作為燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，必將廣泛應(yīng)用，熱障涂層未來的研究方向主要有如下幾個(gè)方面：(1)對(duì)耐溫突破1400℃的新熱障涂層材料及結(jié)構(gòu)的研究；(2)高可靠、經(jīng)濟(jì)型的新型熱障涂層制備技術(shù)研究；(3)高致密性及光潔度抗CMAS熱障涂層研究[39]；(4)先進(jìn)的熱障涂層壽命評(píng)估方法和技術(shù)研究[28,40]。

2.2 MCrAlY包覆涂層

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展，渦輪進(jìn)口溫度已增至1850～2000K，渦輪葉片的工作溫度越來越高，并受到高溫燃?xì)獾难趸透g作用[41]，因此高溫防護(hù)涂層材料技術(shù)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片的發(fā)展具有重要的作用。為了提高涂層的綜合性能，學(xué)者們研究了MCrAlY包覆涂層，該涂層具有硬度高、強(qiáng)度大、韌性好以及良好的耐磨性能和抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片高溫防護(hù)系統(tǒng)中不可缺少的一種涂層[42-43]。

MCrAlY包覆涂層按基體分為Fe基涂層、Co基涂層和Ni基涂層。Fe基MCrAlY包覆涂層一般適宜在增碳環(huán)境下工作，Co基MCrAlY包覆涂層抗腐蝕性能較好，而Ni基MCrAlY包覆涂層抗高溫氧化和延展性較強(qiáng)。為了結(jié)合Co基和Ni基二者的優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外主要研究NiCo基、CoNi基等Ni基在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

MCrAlY包覆涂層具備抗氧化、抗腐蝕的性能，合金組元性質(zhì)起著重要的作用。研究表面主要組成為Ni，Co，Ni＋Co等基體元素；Al用來形成保護(hù)性的氧化膜，Cr用于促進(jìn)氧化膜的形成，并提高涂層抗熱腐蝕能力，Y用來提高氧化膜的粘附性，Si、Hf、Ti、Re、Zr等元素中的一種或多種以滿足一些特定的應(yīng)用需求[43]。涂層成分及結(jié)構(gòu)決定了涂層的化學(xué)性能、機(jī)械性能等一系列性能。

目前，根據(jù)使用的目的不同，MCrAlY包覆涂層的制備方法一般分為電子束物理氣相沉積、大氣等離子噴涂、低壓等離子噴涂、超音速火焰噴涂、爆炸噴涂及多弧離子鍍等方法制備。電子束物理氣相沉積和低壓等離子噴涂制備的MCrAlY包覆涂層性能較好，但成本較高且大尺寸工件涂層制備困難；大氣等離子噴涂、超音速火焰噴涂和爆炸噴涂制備的MCrAlY包覆涂層組織結(jié)構(gòu)均勻、沉積效率高且成本較低，但所制備的涂層存在一定的空隙率且氧化嚴(yán)重。

MCrAlY包覆涂層作為高溫防護(hù)涂層的重要組成部分，許多科學(xué)工作者們通過采用不同的制備工藝，研發(fā)更先進(jìn)的材料，優(yōu)化MCrAlY合金的組成、結(jié)構(gòu)等方法，希望能夠進(jìn)一步提高涂層的粘結(jié)性能、抗高溫氧化腐蝕性能和應(yīng)變?nèi)菹轠44]。

P.Richer[45]等研究和比較了由大氣等離子噴涂(APS)、超音速火焰噴涂(HVOF)、冷噴涂(CGDS)制備的三種CoNiCrAlY粘結(jié)層的形貌及恒溫氧化性能(1000℃)。在恒溫氧化之前，HVOF和CGDS制備的涂層微觀形貌類似，而APS制備的涂層含有較多的孔隙及氧化物；經(jīng)過100h恒溫氧化實(shí)驗(yàn)，粘結(jié)層的抗氧化性能：CGDS＞HVOF＞APS。采用低溫高速的制備方法降低涂層在制備過程中的氧化及孔隙率，提高粘結(jié)層的抗高溫氧化性能。

JianmingLiu[46]等采用HVOF技術(shù)制備了NiCrAlY和NiCoCrAlY涂層，比較和分析了真空熱處理和涂層熱膨脹系數(shù)的變化對(duì)涂層循環(huán)氧化性能的影響。采用真空熱處理(1050℃)有助于涂層表面形成致密連續(xù)的氧化膜，而且循環(huán)氧化過程中涂層增重明顯降低；NiCoCrAlY涂層的(0～1000℃)熱膨脹系數(shù)逐漸增大，近似一條直線，而NiCrAlY涂層的熱膨脹系數(shù)在600℃～900℃之間發(fā)生非線性變化，由此分析可知，在這個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生更多的體積應(yīng)力，導(dǎo)致表面氧化層易于剝落。因此，MCrAlY涂層的化學(xué)組成與熱膨脹系數(shù)曲線的關(guān)系是設(shè)計(jì)該類涂層的一個(gè)新的原則。

2.3 鋁化物及改性鋁化物擴(kuò)散涂層

高溫Ni基體合金在航空中應(yīng)用很廣，有較好的高溫力學(xué)性能和抗高溫氧化性能，廣泛應(yīng)用于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等熱端部件[47]。隨著渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推重比提高，渦輪進(jìn)口溫度也隨之升高。因此必須要提供一些保護(hù)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)零件對(duì)抗熱沖擊、高溫腐蝕、高熱交變和復(fù)雜應(yīng)力的能力。元素Al是可以用來提供具有保護(hù)性能的Al2O3層形成的重要元素[48-49]。由于擴(kuò)散型鋁化物涂層既可以滿足這一需求，又具有成本低、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，所以目前世界上80%以上的高溫涂層為擴(kuò)散型鋁化物涂層[50]。

簡(jiǎn)單鋁化物涂層具有較好的抗高溫氧化性能，但其脆性較大，并且抗熱腐蝕性能差，故通常在簡(jiǎn)單鋁化物涂層中添加Co、Cr、Si、Pt等有益元素[51-53]。這些有益元素一方面可以增強(qiáng)氧化膜與基體的結(jié)合力，另一方面能夠降低維持Al選擇性生長(zhǎng)的臨界Al含量，因而改性鋁化物涂層比簡(jiǎn)單鋁化物涂層具有更好的綜合性能。Co一般作為有益元素添加于鎳基高溫合金中，以提高合金的拉伸強(qiáng)度、抗高溫蠕變等機(jī)械性能。涂層中加入Cr，不但可提高其抗氧化和抗熱腐蝕性能，而且還可提高涂層的穩(wěn)定性。鋁滲層中添加適量的Si，比只添加Cr有更好的抗高溫氧化性能[54]，但Si含量不宜過高，因?yàn)楦邷叵耂i會(huì)與基體中的Ni形成有害的低熔點(diǎn)相而使?jié)B層變脆，在氧化過程中易產(chǎn)生剝落[55]。Pt改性鋁化物滲層的耐腐蝕性能優(yōu)于單一的鋁化物滲層，原因在于：Pt提高了α+Al2O3膜的黏附性[56]及自愈合能力[57]，阻止了氧化膜/滲層界面孔洞的形成，延緩了向γ-Ni3Al轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了其組織穩(wěn)定性[58]。

制備鋁化物涂層的擴(kuò)散滲鋁工藝成熟，方法多樣化。主要的滲鋁方法有：固體粉末法滲鋁，熱浸滲鋁，料漿滲鋁，氣體滲鋁，電解滲鋁、化學(xué)氣相沉積滲鋁等多種[59]?；瘜W(xué)氣相沉積(Chemical vapor deposition,CVD)技術(shù)是一種相當(dāng)成熟且已工業(yè)化的先進(jìn)技術(shù)，它是利用氣態(tài)物質(zhì)在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)沉積物的過程。生產(chǎn)效率高，工藝可控性好，非常適合于對(duì)形狀復(fù)雜零件的表面保護(hù)，滲層均勻，生產(chǎn)清潔環(huán)保，并且涂層厚度可控度高。目前無錫透平葉片有限公司已經(jīng)使用該種方式，實(shí)現(xiàn)在燃機(jī)渦輪葉片內(nèi)腔表面和外表面的鋁化物涂層批量加工，這類涂層的使用也將是未來航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片涂層制備的發(fā)展趨勢(shì)。

2.4 可磨耗封嚴(yán)涂層

可磨耗封嚴(yán)涂層是涂覆在“兩機(jī)”氣流通道的間隙部分的涂層。

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪的徑向間隙每增大0.13毫米，發(fā)動(dòng)機(jī)單位耗油量約增加0.5%；反之，減少0.25毫米，渦輪效率提高1%[60]。另外，減少壓氣機(jī)的徑向間隙還可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的抗喘振能力，從而改善飛行安全性。

作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要技術(shù)之一，封嚴(yán)涂層可改善飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)中旋轉(zhuǎn)與固定部件之間的密封性，顯著提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。采用在渦輪機(jī)與壓氣機(jī)的機(jī)匣上制備封嚴(yán)涂層來封閉氣體通道，減小間隙，提高熱效率。新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，封嚴(yán)涂層的使用溫度為300-1200℃，最高可達(dá)1350℃[48,60]。這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件封嚴(yán)涂層的高溫防護(hù)、封嚴(yán)、耐磨損等性能提出了新的要求。封嚴(yán)涂層已經(jīng)在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

理想的封嚴(yán)涂層要求熱穩(wěn)定性強(qiáng)、摩擦系數(shù)小、抗氧化性強(qiáng)，用于葉尖與機(jī)匣之間封嚴(yán)時(shí)，才能在保持最小間隙的同時(shí)有效阻止刮擦損傷，達(dá)到良好的封嚴(yán)效果。封嚴(yán)涂層大多選用復(fù)合材料，主要成分是金屬相、非金屬相和孔隙。其中金屬相具有可噴涂性、結(jié)合強(qiáng)度、抗沖蝕性等性能，常用的有鎳、鈷、銅、鋁等及其合金。非金屬相提供減磨、抗黏著和自潤(rùn)滑性能，如石墨、聚苯酯、膨潤(rùn)土等。表3為“兩機(jī)”上比較常見的可磨耗涂層材料及其應(yīng)用[61]。

表3 不同種類封嚴(yán)涂層性能及應(yīng)用Table.2 Different sealing coating properties and applications

可磨耗封嚴(yán)涂層在提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)工作效率和降低油耗方面發(fā)揮著重要的作用。國(guó)外先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)已廣泛應(yīng)用了可磨耗封嚴(yán)涂層，而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚、基礎(chǔ)研究較為薄弱，研究水平較國(guó)外還存在差距，且目前大部分研究還集中在中低溫可磨耗封嚴(yán)涂層和金屬基體可磨耗封嚴(yán)涂層上，對(duì)于適應(yīng)于更高溫度和更新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的可磨耗封嚴(yán)涂層的研究還十分欠缺。因此，研制開發(fā)新型高溫可磨耗封嚴(yán)涂層和新型CMC基體可磨耗封嚴(yán)涂層就成為提高國(guó)內(nèi)可磨耗封嚴(yán)涂層研究及應(yīng)用水平的重要發(fā)展方向。

3 結(jié)束語

涂層技術(shù)作為“兩機(jī)”關(guān)鍵零部件制造的核心技術(shù)之一，近年來國(guó)內(nèi)外在葉片涂層制備技術(shù)方面取得了顯著的進(jìn)步。作為全球一流葉片制造專業(yè)化企業(yè)，無錫透平葉片有限公司已具備“兩機(jī)”葉片涉及涂層試驗(yàn)、研制及批量生產(chǎn)能力，并且批量供貨給國(guó)外GE、RR、三菱、西門子以及國(guó)內(nèi)航發(fā)、中船重工、中國(guó)重燃等行業(yè)頂級(jí)集團(tuán)。但縱觀全行業(yè)，在“兩機(jī)”葉片涂層方面，仍然存在涂層性能、設(shè)備成本和工藝成本的矛盾，以及應(yīng)用范圍局限等問題，因此，加強(qiáng)各類涂層的制備工藝、過程控制方法、涂層組織性能、設(shè)備特性以及與生產(chǎn)效率和成本的匹配關(guān)系研究，對(duì)推動(dòng)我國(guó)“兩機(jī)”關(guān)鍵零部件的制造水平提高以及行業(yè)技術(shù)進(jìn)步起到舉足輕重的作用。