鋁硅聚苯酯封嚴涂層的研究現(xiàn)狀和發(fā)展

陳同燦 丁坤英 曹衛(wèi)

摘要：鋁硅系封嚴涂層是發(fā)動機壓氣機常用的中低溫封嚴涂層，目的是減少轉(zhuǎn)子和靜子之間的間隙，同時保護葉片不受磨損，對發(fā)動機的效率有著非常重要的影響。本文對鋁硅聚苯酯封嚴涂層的現(xiàn)狀和進展進行研究，為后續(xù)鋁硅聚苯酯封嚴涂層制備方法以及噴涂工藝對涂層結(jié)構(gòu)、形態(tài)特征、性能的影響分析打下基礎(chǔ)，從而為民航飛機的制造和飛行安全等提供一方面的保證。

Abstract： Aluminum-silicon sealing coating is a commonly used medium and low temperature sealing coating for engine compressor. The purpose is to reduce the gap between rotor and stator and to protect the blade from wear， which has a very important effect on engine efficiency. In this paper， the present situation and progress of aluminum-silicon-polystyrene ester sealing coating are studied， which lays a foundation for the preparation method of aluminum-silicon-polystyrene ester sealing coating and the influence analysis of spraying process on the structure， morphological characteristics and properties of the coating.

關(guān)鍵詞：鋁硅聚苯酯;封嚴涂層;研究;發(fā)展

Key words： polyphenylene Al-Si;sealing coating;research;development

中圖分類號：TG174.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0035-03

0? 引言

1950年代初期，英國Haveland公司研究并發(fā)明了“彗星”噴氣式飛機。飛機的運行顯著提高了民航的運營效率，從那時起，飛機就成為一種非常重要的運輸交通工具，能夠快速地運送客人和貨物。目前，中國航空業(yè)的發(fā)展相對美國、法國等發(fā)達國家才剛剛起步。特別是飛機發(fā)動機的研發(fā)和制造一直是中國航空航天工業(yè)發(fā)展中的一個問題，并且仍處于需要緊急突破的瓶頸階段。飛機發(fā)動機的設(shè)計過程從簡單的測量和映射變?yōu)楠毩⒌难邪l(fā)。民航發(fā)動機的設(shè)計、開發(fā)和制造過程是一個非常復(fù)雜和系統(tǒng)的項目。它涵蓋了各個學科領(lǐng)域的各種先進科學技術(shù)，例如材料、力學、機械制造等。它已成為衡量國家科學技術(shù)水平和整個國家綜合實力的標準和重要標志。旋翼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是飛機發(fā)動機的核心組成部分，非常復(fù)雜。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作環(huán)境是高速、高負荷、高溫，需要高可靠性和高安全性。機械制造中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是最復(fù)雜、最精確的產(chǎn)品之一[1]。在燃氣渦輪式發(fā)動機中，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片進行工作來提高增加氣壓， 壓氣機是主要的核心部件。為了提高飛機發(fā)動機的渦輪葉片的耐高溫性，必須將高溫壓縮空氣壓入飛機發(fā)動機中以獲得高推力重量比。涂層技術(shù)是高級發(fā)動機必不可少的關(guān)鍵核心技術(shù)[2]。當前，飛機發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展以及在各種技術(shù)材料的涂層中在發(fā)動機的任何部分的使用，各個方面對性能要求都不斷提高，起著保護、密封、耐磨和抗沖擊、減震及隔熱的作用，并確保引擎安全可靠的操作。與此同時，它會使發(fā)動機的工作溫度和熱端部件使用壽命提高、延長，燃油消耗大大減少，并提高發(fā)動機的工作效率。 [3]

1? 封嚴涂層簡介

封嚴涂層是涂覆在飛機發(fā)動機氣流通道間隙部分的涂層。如果飛機發(fā)動機渦輪的徑向游隙由于受熱等因素增加0.13mm，則發(fā)動機燃油的消耗量隨之增加0.5%左右;反過來，如果徑向游隙減小0.25mm，那么可以使渦輪的效率提高約1%。除此以外，減少壓氣機的徑向游隙還能使發(fā)動機的喘振保護能力提高，從而飛行安全性也得到提高。

在飛機燃氣輪機中封嚴涂層可以使渦輪機和壓氣機的殼體之間的密封效果得到改善，它是發(fā)動機技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。在旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間形成密封涂層，以此來使得氣體通道封閉，間隙減少并使熱效率得到提高。新型飛機發(fā)動機中，封嚴涂層的使用溫度為300-1200°C，最高可達1350°C。因此，提高核心發(fā)動機部件密封涂層的高溫保護、封性和耐磨性勢在必行。

工程上所需要的十分符合要求的封嚴涂層應(yīng)該具有可靠性高、熱穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低以及抗氧化性強等特點。當涂層在使用時，它可以有效防止刮擦損壞，同時保持最小的間隙，以實現(xiàn)預(yù)想中的密封效果。大多數(shù)封嚴涂層根據(jù)其性能要求由復(fù)合材料制成，主要有金屬相、非金屬相和孔三種成分組成，金屬相主要起增加噴涂性、提高粘合強度和抗耐腐蝕性的作用，通常使用鎳、鈷、銅、鋁及其合金。非金屬相主要起到耐磨損、抗粘結(jié)和自潤滑作用，通常使用聚苯酯、石墨、硅藻土等。

2? 封嚴涂層的制備方法[4]

目前，使用熱噴涂技術(shù)是制成封嚴涂層的主流方法，該技術(shù)常見的主要有以下四種：

2.1 火焰噴涂

噴涂的時候， 在熱源火焰的作用下金屬和非金屬材料被加熱到熔融的狀態(tài)，然后被高速氣流推動形成流束霧化，再噴射到基板上。當熔融霧化的小顆粒撞擊基材時由于力的作用發(fā)生塑性變形，進而形成一種層狀的覆蓋沉積性涂層。設(shè)備維護時，可用于補償表面磨損并提高性能。在熱噴涂中，火焰噴涂成本最低，作為優(yōu)先考慮的涂層技術(shù)該噴涂技術(shù)下的涂層具有以下基本性能：①通用金屬可以噴涂一般的金屬和非金屬基材，通常基材的形狀和尺寸是不受限制的，但是存在問題比如小孔目前還無法做到噴涂。②涂層材料特性比較豐富，在金屬、合金以及陶瓷復(fù)合材料表面均可以噴涂多種性能的涂層材料，比如耐磨性、耐蝕性、隔熱、耐高溫等等。③涂層的多孔結(jié)構(gòu)儲油潤滑和摩擦性能比較好，并具有硬度高。噴涂層的宏觀硬度最理想的可以達到450HB，而噴涂焊接層最高硬度可以達到65HRC。④火焰噴涂時，基材的表面加熱溫度為200～250℃，總溫度約為70～80℃。對基材的影響十分小，材料結(jié)構(gòu)不變。

但是，這種涂層也有缺點：①噴涂涂層對底材的粘合強度低，交變和沖擊載荷不能承受。②對基材的表面處理要求比較嚴格。③由于受各種條件的影響，火焰噴涂過程中涂層質(zhì)量還沒有得到有效的測試。④由于火焰噴射時速率較低，得到的涂層比較疏松，其中所含的氧化物量比較高而且粘附力比較差。

總的來說，對比四種熱噴涂技術(shù)，火焰噴涂技術(shù)的成本是最低的，目前對高孔隙率和高氧化物含量的特殊涂料已成功應(yīng)用。

2.2 爆炸噴涂

爆炸性噴霧點燃并燃燒氧氣和乙炔氣體，從而使氣體產(chǎn)生膨脹和爆炸，由爆炸釋放出熱量和沖擊波。噴涂粉末由于熱量形成熔融粉末，再在700～800m/s速度的沖擊波作用下，被噴涂到工件表面上，從而形成涂層。通常認為形成爆炸性涂層的基本特性是熔融顆粒與基材高速碰撞的結(jié)果。噴霧噴涂的最大特點是顆粒高速飛行并具有很大的動能。因此，該防噴涂料具有以下特征：①涂料與基材之間的高粘合強度;②形成的涂層致密，孔隙率低;③粗糙度低;④低工件表面溫度。

2.3 等離子噴涂

熱噴涂技術(shù)中，最早的先進工藝是制造隔熱涂層的等離子噴涂（PS）技術(shù)。用等離子噴槍產(chǎn)生等離子，等離子火焰作為熱源，將輸送的粉末加熱到熔融狀態(tài)，然后被高速噴射到零件的表面上，與此同時受到撞擊力發(fā)生塑性變形，進而粘附在零件表面上。同時，顆粒相互之間還會通過塑性變形發(fā)生彼此粘附。隨著噴涂時間的增加，零件的表面會接受一定厚度的噴涂。

等離子噴涂的原理主要是將熔融的顆?；蛘呤前肴廴诘念w粒進行高速碰撞，在沖擊受力變形后形成涂層。

涂層表面粗糙度低，微觀結(jié)構(gòu)為層狀且有許多孔。目前，通過等離子噴涂制成的隔熱涂層被應(yīng)用于飛機發(fā)動機，魚鱗板和固定式渦輪機葉片的加力燃燒器火焰管。

等離子噴涂目前主要有三種類型，空氣等離子噴涂技術(shù)（APS），氬氣等離子噴涂技術(shù)（ASPS）和真空等離子噴涂技術(shù)（VPS）。通過測定比較，APS涂層致密性比較好。但是，成分中包含的氧化物會影響其性能。ASPS涂層清潔且牢固附著。它們包含的氧化物少于APS涂層。VPS（或低壓等離子噴涂LPPS）等離子噴涂過程中，消除了空氣污染問題，顆粒噴射速度可以達到400～600m/s，涂層具有比較高的致密度、純度和附著力。

2.4 高速火焰噴涂

高速火焰噴涂的發(fā)展始于1970年代末和1980年代初。它以高速噴涂，速度達到1220m/s，因此能較好地附著在基材上，形成的涂層致密性好、孔隙少、重現(xiàn)性比較好。

3? 鋁硅-聚苯酯封嚴涂層的發(fā)展

迄今，基于鋁合金-聚酯復(fù)合材料的良好耐磨性、自潤滑性以及導(dǎo)熱性也優(yōu)異的性能，作為壓氣機葉片涂層已廣泛地在風扇壓氣機部位被大量使用。為了保證涂層具有良好的抗氣流沖蝕性能，而且不會損壞相配合的鋁合金葉片，該涂層一般用等離子噴涂方法獲得。

天津大學材料學院王月[5]分析了鋁硅封嚴涂層熱穩(wěn)定性破壞的機理。為了降低熱負荷，將鋁硅聚苯酯粉末用作底漆的表面層，根據(jù)所研究涂層的使用溫度，按照一定要求確定噴涂的工藝參數(shù)。將制備的涂層樣品在300°C下加熱多次，然后用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察其微觀組織的變化，根據(jù)顯微組織利用軟件得出噴涂界面，再用Mat lab軟件計算得出分形維數(shù)。發(fā)現(xiàn)界面曲線越復(fù)雜，分形維數(shù)越大。再根據(jù)計算結(jié)果總結(jié)出鋁硅聚苯酯封嚴涂層的失效原因。岳陽、趙忠興等[6]對大氣等離子噴涂鋁硅-聚苯酯涂層的工藝與性能之間的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)的鋁硅聚苯酯粉末完全滿足噴涂工藝的要求，通過改變工藝參數(shù)得到的涂層結(jié)構(gòu)均勻分布，具有良好的機械性能，但是，在保溫50小時后，涂層的硬度略有下降，并在后期基本穩(wěn)定。哈爾濱汽輪機廠有限責任公司研究者林琳、劉長雁等[7]運用大氣等離子噴涂方法制備鋁硅聚苯酯封嚴涂層，分析涂層厚度與性能之間的關(guān)系。在45#鋼基體表面上制備不同厚度的鋁硅聚苯酯涂層，使用洛氏硬度計和拉伸試驗機分別進行硬度和結(jié)合強度的測試，研究封嚴涂層的厚度與硬度、結(jié)合強度之間的關(guān)系，得出的研究結(jié)果是：硬度和結(jié)合強度隨著涂層厚度的增加而減小。中國民航大學理學院孫波[8]以45鋼作為基體，利用等離子噴涂技術(shù)制備鋁硅-聚苯酯封嚴涂層，并系統(tǒng)優(yōu)化了所制備封嚴涂層的噴涂工藝，制備鋁硅-聚苯酯涂層試樣在不同溫度和時間保溫后的涂層，研究顯微組織、表面硬度以及結(jié)合性能與溫度、保溫時間長短之間的關(guān)系，研究該種封嚴涂層的刮擦機理并評估了耐磨性。中國民航大學的研究者黃宇翠、程濤濤等[9]設(shè)計不同界面結(jié)構(gòu)的基體試樣，使用等離子弧噴涂技術(shù)（APS）制備鋁硅聚苯酯涂層，并優(yōu)化、分析鋁硅聚苯酯涂層界面結(jié)構(gòu)與結(jié)合性能的之間的關(guān)系，分析金相顯微組織、測定并驗證表面洛氏硬度和界面結(jié)構(gòu)涂層的結(jié)合性能之間的關(guān)系。同樣來自中國民航大學的研究者劉正發(fā)、溫鳳春等[10]同樣采用等離子噴涂技術(shù)制備鋁硅聚苯酯涂層，分析了鋁硅-聚苯酯涂層不同葉片轉(zhuǎn)速條件下的可磨耗性能。北京礦冶研究總院劉笑笑、章德銘等[11]分別采用噴霧造粒、固相混合和膠粘團聚三種不同制粉方法制備鋁基聚苯酯復(fù)合粉末，對比研究鋁基聚苯酯封嚴涂層材料粉末及涂層性能之間的不同關(guān)系，然后通過等離子噴涂方法制備封嚴涂層，進而對比研究粉末及涂層的硬度、結(jié)合度等性能。

4? 未來等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展方向[12]

4.1 擴大應(yīng)用范圍

對比各種噴涂技術(shù)，在我國發(fā)動機技術(shù)研究和生產(chǎn)領(lǐng)域，通過等離子噴涂生產(chǎn)隔熱涂層的工藝已成功應(yīng)用于新發(fā)動機的渦輪導(dǎo)葉和隔熱罩等部件。然而，由于采用等離子噴涂技術(shù)得到的涂層微觀呈典型的板條狀結(jié)構(gòu)，因此容易引起熱疲勞失效，并且涂層容易脫落。因此，使用這種方法生產(chǎn)的涂層就受到了限制，一般只能用于固定的工件的加工。因為渦輪葉片的工作環(huán)境比較復(fù)雜，從高溫到低溫的不斷變化，而且在高速運轉(zhuǎn)條件下所承受的負荷也較大。近年來，隨著超聲波等離子噴涂、低壓等離子噴涂和水穩(wěn)性等離子噴涂技術(shù)的飛速發(fā)展，可以有效地使等離子噴涂的質(zhì)量得到大大的提高，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。等離子噴涂技術(shù)必將填補國內(nèi)發(fā)動機應(yīng)用中的空白。

4.2 制備過程中的質(zhì)量保證

目前，等離子噴涂技術(shù)已經(jīng)達到非常穩(wěn)定和成熟的階段，但是先進航空技術(shù)的飛速發(fā)展也對產(chǎn)品質(zhì)量提出了更高的要求。那么如何才能精確、可靠地確保飛機發(fā)動機的涂層產(chǎn)品質(zhì)量呢？隨著等離子噴涂技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)需要出現(xiàn)了“在線檢查裝置”。這是一種安裝在噴槍上的高速攝像頭設(shè)備。在等離子噴涂過程中，實時監(jiān)控各種參數(shù)，并且可以充分保證生產(chǎn)過程中涂層參數(shù)的質(zhì)量，例如電流、電壓、火焰不同區(qū)域的溫度分布、粉末顆粒速度、流速和熔融狀態(tài)等實際值。此外，使用在線測試設(shè)備記錄的實際噴涂參數(shù)來分析涂層性能可以大大節(jié)省優(yōu)化噴涂參數(shù)的時間，并在科學研究中發(fā)揮更有效的作用。

4.3 過程精細化

關(guān)于等離子噴涂機，在使用氣體質(zhì)量流量計控制、凈能量控制、機械手NC操作和自動稱重NC粉末進料方面已進行了改進。過程識別使用涂層厚度和無損在線測試來實現(xiàn)有效的過程控制。監(jiān)測火焰流動時間、涂層厚度和無損在線檢查以及熱噴涂過程的自動和數(shù)字控制，可確保涂層質(zhì)量的可靠性和可重復(fù)性。簡而言之，隨著等離子噴涂技術(shù)和相關(guān)載體系統(tǒng)的發(fā)展，等離子噴涂技術(shù)正越來越多地用于飛機發(fā)動機的涂層產(chǎn)品中。

參考文獻：

[1]曹銘棟.民用飛機發(fā)動機優(yōu)化設(shè)計與排放分析方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2016.

[2]路振勇.航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學建模及非線性振動研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2017.

[3]孫勇漢，張斌.航空發(fā)動機涂層技術(shù)研究及進展[J].涂層技術(shù)，2013（9）：84-87.

[4]https：//baike.baidu.com/item/%E5%B0%81%E4%B8%A5%E6%B6%82%E5%B1%82/4816428？fr=aladdin[OL].

[5]王月.鋁硅封嚴涂層熱穩(wěn)失效機理分析[D].天津：天津大學，2009.

[6]岳陽，趙忠興，等.大氣等離子噴涂鋁硅-聚苯酯涂層的工藝及性能研究[J].熱噴涂技術(shù)，2014，6（1）：40-44.

[7]林琳，劉長雁，等.等離子噴涂鋁硅-聚苯酯封嚴涂層厚度與性能關(guān)系研究[J].機械工程師，2016（3）：232-233.

[8]孫波.航空發(fā)動機用封嚴涂層可磨耗性評價[D].天津：中國民航大學，2015.

[9]黃宇翠，程濤濤，等.鋁硅聚苯酯涂層界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)合性能研究[J].焊接技術(shù)，2016，10（10）：21-23.

[10]劉正發(fā)，溫鳳春.葉片轉(zhuǎn)速對鋁硅聚苯酯涂層刮磨性能的影響[J]. 表面技術(shù)，2016，9（9）：112-117.

[11]劉笑笑，章德銘.制粉工藝對鋁基聚苯酯封嚴涂層材料粉末及涂層性能影響研究[J].熱噴涂技術(shù)，2011，3（9）：24-27.

[12]常秋梅，段緒海.等離子噴涂技術(shù)在航空發(fā)動機上的應(yīng)用[J].表面工程技術(shù)，2008，18（9）：30-32.