等离子喷涂技术在航空发动机上的应用

魔神

    

等离子喷涂技术属于表面工程中热喷涂技术之一，其主要特征是以等离子焰流为喷涂热源。由于等离子焰流具有温度高、能量集中和喷涂气氛可控等特点，是各种难熔材料的良好热源，而且粉末材料在焰流中的飞行速度很高，所以为获得结合良好、结构致密的喷涂涂层提供了条件。 等离子喷涂是气体在电场的作用下被加速，与中性粒子产生碰撞，使中性粒子发生电离，产生离子电弧。又由于受到热收缩、磁收缩及机械收缩三种效应的作用，使等离子电哥疋成为具有高温高速的焰流，从而使喷涂材料被加热到熔化或软化状态，高速地喷射到准备好的工件表面。经变形、淬冷而粘结在工件表面上，形成等离子喷涂涂层。 一、等离子喷涂的工艺特点 (1)基体受热小、零件不变形，不改变热处理状态。 (2)能够喷涂的材料广泛，涂层种类多。 (3)工艺稳定，涂层质量高。 二、等离子喷涂技术的应用 随着航空发动机向高性能、高翻修寿命、高可靠性、低耗油率和低成本的方向发展，热喷涂技术也得到了迅速发展。一台新型发动机有上千个零部件的3000多处表面需要采用热喷涂技术涂层，由此可见，热喷涂技术已被广泛地应用于航空工_业。其中，由于等离子喷涂具有成本低、效率高、操作简单、涂层质量好以及适合规模化大批量生产等诸多优点，已经占到航空发动机所有喷涂零件的80％以上。 航空发动机的热喷涂涂层主要包括耐磨涂层、热障涂层、封严涂层和高温防护涂层等，如下图所示。这些涂层几乎全部都可以采用等离子喷涂的方法来制备。 1．耐磨涂层 由于航空发动机零件的工作条件很恶劣(高温、高转速、振动及高负荷)，又受到粘附、磨粒、腐蚀和疲劳等几种类型的磨损，使发动机的性能和使用寿命受到影响。 罗.罗公司的统计表明，1976年以前，航空发动机零件中有60%，因磨损而报废。采用耐磨涂层后报废率降至33%，效果很显著。例如，钛合金压气机叶片的阻尼凸台表面(约0.4cm2)受到高负荷的撞击和微振磨损。由干钛合金不耐磨，寿命仅100h，而在凸台上喷涂一层0.25mm厚的碳化钨涂层后，叶片寿命延长到上万小时。表1所示为常用耐磨损涂层。 2．封严涂层 航空燃气涡轮发动机都有比较完整的气路封严系统。系统由介于轴、鼓简、转动叶片叶尖、压气机和涡轮等各级之间的40～60处封严装置组成，封严装置的好坏直接影响发动机的功率、推力和效率。如涡轮外环(即叶尖径向间隙)的封业，按设计要求，叶尖间隙与叶片长度的比值每增加1%，涡轮效率损失就增加1%～3%。可见，气路封严是提高效率和性能的重要途径之一。为此，在设计上常采用可磨耗封严涂层来达到气路封严的目的。 热喷涂封严涂层分为两大类，即主动磨削涂层和可磨耗涂层(被动)。 (1)主动磨削涂层(磨料)一般是坚硬的抗磨损灰色氧化铝涂层，喷涂在封严篦齿上。随着转子的高速旋转，像砂轮一样磨削与其对应的金属蜂窝密封团，并尽量使本身不受磨损。这就要求涂层结合强度高，硬度高，隔热性能好。 (2)可磨耗涂层要求涂层软而易磨，并具有润渭“性能、抗冲击性能、抗热振性能，以及与基体有良好的结合性能。表2为推荐使用的涂层。 3．热障涂层 现在，航空涡轮发动机的发展趋势是大推力、高效率、低油耗和长寿命。只有提高涡轮进口的燃气温度，才可能提供高压气机的增压比和流量比，从而提高发动机的推力，降低油耗。为了满足不断提高的涡轮进口温度的要求，在进一步发展新型合金和冷却技术的同时，应大力发展高温防护涂层技术。许多先进国家都争先发展热障涂层技术。 热障涂层的基本设想是利用陶瓷材料良好的耐高温、耐腐蚀、耐磨损和绝热性能，使其以涂层的形式与合金基体结合，从而提高金属结构件抗高温腐蚀环境的能力。为改善涂层和基体的物理相容性，在基体与陶瓷涂层间加一金属粘层，并且为提高陶瓷涂层的抗热振性，有时将其做成金属陶瓷混合层或金属陶瓷多层复合层。粘结层通常为0.1～0.2mm厚的镍铬、镍铝、镍铬铝和MCrAIY合金等，其中M代表Co、Ni或CoNi，Al是生成氧化铝保护层所必需的，Cr可促进生成AI2O3并提高抗热腐蚀能力，Y可提高AI2O3与MCrAIY间的结合强度及涂层与基体的结合强度。 涡轮叶片使用陶瓷热障涂层是提高发动机性能的一条重要途径，因为0.4mm厚的氧化铝涂层可使高温合金表面温度降低100～300℃。发动机全负荷时，实测涡轮进口燃气温度为1370℃，涂层表面温度为1080℃，叶片金属温度为930℃，同时大大节省了冷却空气量的消耗，提高了涡轮效率。 有资料表明，一级涡轮叶片表面喷涂0.25mm厚的陶瓷热障涂层，可使冷却空气流量减少50%，比油耗改善1.3%，叶片寿命提高4倍。到1995年为止，全世界陶瓷涂层的总销售额达30亿美元以上，其中航空发动机应用年平均增长28%。 三、等离子喷涂技术的展望 1．应用范围的扩大 目前用于制备TBCs的众多工艺中，只有等离子喷涂和EB-PVD技术最具有实用价值。在国内航空发动机技术领域中，等离子喷涂制备热障涂层的工艺已经在某新型航空发动机的涡轮导向叶片和隔热屏等零件上成功应用，并获得了国防科学技术一等奖。但由于等离子喷涂涂层具有典型的板条状结构，容易导致热机疲劳，使涂层易剥离失效，因此这种工艺制备的涂层只能用于静止的工件。而涡轮工作叶片不仅承受高温和冷热交变，还要承受高速运转带来的负载，只有EB-PVD技术制备的具有柱状晶结构TBCs涂层，可以满足涡轮工作叶片的使用要求。随着近年来陆续快速发展起来的超声速等离子喷涂、低压等离子喷涂及水稳等离子等喷涂技术，进一步提高了等离子喷涂的质量，扩大了等离子喷涂的应用领域。相信，总有一天等离子喷涂技术会以优异的性能来填补在发动机应用上的空白。 2．制备过程的质量保证 目前，等离子喷涂技术已趋于非常稳定和成熟阶段，但日益快速发展的先进航空技术，也对产品质量提出了更高的要求。那么如何以精确可靠的方式来保证航空发动机涂层产品的质量?伴随着等离子喷涂技术的发展，应运而生了一种“在线检测设备”，它是安装在喷枪上的一种高速摄像装置，在等离子喷涂过程中对各项参数起到实时、实值的监控作用，如电流、电压、火焰各区的温度分布、粉末粒子的速度、流量和熔化状态等，这就能全方位地保障生产过程中涂层参数的质量。另外，利用在线检测设备记录下来的实际喷涂参数与涂层性能结合起来分析，就能大大节约优选喷涂参数的时间，在科研攻关中起到事半功倍的效果。 3．过程精细化 在等离子喷涂设备方面，向采用气体质量流量计控制、净能量控制、机械手数控操作和自动称量数控送粉等方向改进；在过程检测方面，采用涂层厚度和应力在线无损检测等措施来实现过程的有效控制。 通过开展焰流时值检测监控、涂层厚度和应力在线无损检测，以及实行热喷涂操作的自动化和数字化控制，以保证涂层质量的可靠性和再现性。 总之，伴随着等离子喷涂技术及相关配套系统的进一步发展，等离子喷涂技术将在航空发动机涂层产品中得到更广泛的应用。

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