热喷涂技术
热喷涂在航空工业中的应用
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发布时间：
2011-11-23 00:00
航空发动机历来是新材料、新工艺的竞争舞台。航空燃气涡轮发动机不但零件工作条件恶劣：工作温度高（涡轮前温度已超过1300℃）、转速高（涡轮转速约10000转/分）、负荷高，可靠性要求也很高。热喷涂技术以其独特的优势，已成为航空发动机制造、修理技术中不可缺少的工艺。热喷涂技术不仅采用的时间早、而且应用的范围广、取得的经济技术收益显著。热喷涂技术在很大程度上支持了航空发动机技术的发展，航空发动机技术也拉动了热喷涂技术的发展。如今凡是制造、修理航空涡轮发动机的单位都采用了热喷涂技术。20世纪70年代一台航空涡轮发动机进行热喷涂的零件数就已有约500多个，而目前则已达上千个零件、3000多个部位。
现将热障、封严、耐磨涂层的几个典型应用实例介绍如下。
热障涂层
简称"TBC"涂层(Thermal Barrier Coating),通常由金属(合金)粘结及耐蚀底层和低导热率的氧化物陶瓷面层组成.已日益广泛的用于发动机的燃烧室、加力燃烧室、涡轮部件及热燃气通道等承受热应力、热腐蚀的热端部件上。热障涂层又称“隔热”涂层，它可降低材料的工作温度，提高材料的使用等级，降低零件对冷却气流要求。另外它还能有效阻隔高温燃气对材料有腐蚀从而延长了材料的使用寿命。
A.加力燃烧室内壁"TBC"涂层隔热效果：
加力燃烧室的内壁的等离子喷涂"TBC"涂层是用镍铝(或镍铬)材料作底层，厚度为0.1～0.15mm，面层为氧化物陶瓷，厚度为0.2mm～0.35 mm。这种热障涂层在两种加力燃烧室上应用，均取得了良好的隔热效果，最大的隔热温差达120℃。
B.航空发动机火焰筒TBC涂层应用：
美国普·惠（PRATT & WHITNEY）公司的 JT8D 飞机发动机每台有九个火焰筒,其内表面均采用了等离子喷涂 NiCoCrAlY+ZrO2 热障涂层。 JT8D 发动机应用广泛，不断改进至今,用量已超过13000台，火焰筒就有多种型号，它的 NiCoCrAlY+ZrO2 涂层设计成熟，是国际上一度领先的热障涂层。国内某厂自84年至今已加工喷涂一万多个火焰筒交付普·惠公司。该厂与美国普·惠公司联合研发的FT8燃气轮机火焰筒也同样采用了热障涂层。
用于火焰筒的NiCoCrAlY+ZrO2 热障涂层，采用等离子喷涂工艺。原来底层为0.076～0.12mm厚的镍钴铬铝钇，面层用氧化镁稳定的氧化锆，厚度0.25～0.38mm. 后将底层加厚为 0.12～0.20mm. 20世纪90年代进行了优化，涂层的底层仍用 NiCoCrAlY，涂层厚度放宽为 0.12～0.23mm, 面层改用氧化钇稳定的氧化锆粉末，厚度放宽为0.25～0.43mm。因为火焰筒的内径仅φ130mm，在其内表面喷涂须采用内孔等离子喷枪。
封严涂层
航空燃气涡轮发动机有近二十级压气机和涡轮叶片，各级之间均有压差。转动部件与静止部件之间的间隙严重影响压气机和涡轮的效率，以至仅叶尖漏气损失就占发动机整机损失的10～40%。随着发动机尺寸增大和温度的升高，发动机的封严变得极为重要。
A. 减少径向间隙的可磨耗涂层
现在常用的控制间隙、减少泄漏损失的热喷涂封严涂层有两类：可磨封严涂层和气路封严涂层。可磨涂层是在相对于转动叶片叶尖径向外侧的静止环带上喷涂可磨耗抗冲刷的软涂层，以减少叶片叶尖处的径向间隙。常用材料和适用温度见表1。常用的涂层材料为：镍/硅藻土、镍铬/硅藻土和镍铬铝/硅藻土。可磨封严涂层在不改动发动机原设计的情况下减小涡轮径向间隙，使推力提高1～3%，燃油消耗可降低2～5%。
表1 常用可磨涂层材料和适用温度
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涂层名称
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喷涂方法
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适用温度
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用途
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1
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聚苯酯
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等离子
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-18℃至340℃
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压气机和滑油系统封严
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2
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铝石墨
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火焰、等离子
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450℃以下
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压气机部位封严
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3
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镍石墨
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火焰、等离子
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480℃以下
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压气机部位封严
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4
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镍硅藻土
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火焰、等离子
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750℃以下
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涡轮部位封严
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5
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镍铬硅藻土
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火焰、等离子
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850℃以下
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涡轮部位封严
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6
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镍铬铝硅藻土
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火焰、等离子
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1000℃以下
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涡轮部位封严
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B.气路封严涂层实际上是耐磨涂层。由于航空燃气涡轮发动机工作温度和转速是动态的，可磨耗涂层减小径向间隙一般只能在某一种状态，如最高温度和最大转速时获得“零间隙”。为了更有效地在更高温度条件下减少漏气损失，一般采用金属箔蜂窝做成静止件封严环，由它与带冠叶片蓖齿的侧面形成封严效果。在这里蜂窝相当于可磨耗抗冲刷的第一类软“涂层”，而在对应的叶片蓖齿侧面则喷涂耐磨涂层。常用的涂层材料为含氧化钛的氧化铝或氧化锆，以改善磨擦提高寿命。FT8动力涡轮的涡轮叶片叶冠均采用了等离子喷涂含氧化钛的氧化铝耐磨涂层。
可磨耗涂层也可用于发动机滑油系统封严，减少滑油泄漏。如发动机的轴承支座，采用等离子喷涂铝聚苯酯涂层，封严效果好寿命长。
耐微动磨蚀涂层
微动磨蚀是航空发动机中较突出的一种磨损故障。它产生在两个有一定正压力作用、工作中有极微小的相对运动（一般小于25μｍ）的金属表面，也称振动磨蚀。微动磨蚀造成的表面损伤，会加速其它形式故障产生，直至构件失效。由于航空发动机追求重量轻，大量使用铝、镁、钛合金和镍基合金，采用柔性结构多，加之工作温度波动大，微动磨蚀应当格外重视。热喷涂技术可以根据微动磨蚀部位不同的工作条件和材料，提供多种耐微动磨蚀涂层。长寿命航空发动机零件中，广泛的应用了热喷涂的耐微动磨蚀涂层，小到一个垫片、销子，大到直径近二米的机匣。有零件上有几十部位须进行喷涂。常用的热喷涂耐微动磨蚀材料有：镍包铝、铜镍铟、碳化钨/钴、碳化铬/镍铬。
A.发动机机身中部快卸环部位的耐磨涂层
使用一个寿命后，快卸环、导向器外环和扩散器3个零件同时磨蚀出坑，过去均作报废以避免故障发生。经过试验，这3个零件都采用等离子喷涂镍/铝涂层0.1～0.2mm进行了修复，并再次使用。由于镍/铝涂层自身具有良好的抗微动磨蚀作用，因此不但恢复了零件的几何尺寸而且还提高了零件的性能，在再次使用一个寿命后涂层完好无损，而且还可继续使用。
B.火焰筒耐磨涂层应用
在一个JT8D或FT8的火焰筒上，最多有6处采用等离子喷涂耐微动磨蚀涂层，其中5处为等离子喷涂镍铬/碳化铬（25/75）涂层，尾段为爆炸喷涂或高速等离子喷涂镍铬/碳化铬（7/93）涂层，厚度均为0.05～0.10mm。使用Praxair3620系统进行高速等离子喷涂(喷枪为SG100，MACH Ⅱ参数)，所有的涂层均获美国普·惠公司的批准，代替爆炸喷涂用于JT8D和FT8十多个零件上。一般480℃以下用钴/碳化钨，480℃-870℃用镍铬/碳化铬。采用不同的喷涂工艺所得到的涂层性能是有差别的，参见表2、表3。
表2：不同喷涂工艺下的钴/碳化钨涂层性能对比
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常规等离子喷涂
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*高速等离子喷涂
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爆炸喷涂
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涂层材料
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WC-12Co
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WC-12Co
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WC-12Co
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结合强度/MPa
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大于45
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大于70
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大于70
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氧化物含量/%
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小于10
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小于1
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小于1
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显微硬度/Hv
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大于700
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900～1200
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900～1200
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气孔率/%
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小于3
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小于1
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小于1
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*高速等离子喷涂是指使用Praxair的SG100喷枪在MachⅡ参数下工作。
表3：不同喷涂工艺下的镍铬/碳化铬涂层性能对比
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常规等离子喷涂
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*高速等离子喷涂
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爆炸喷涂
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涂层材料
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Cr3C2-25NiCr
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Cr3C2-7NiCr
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Cr3C2-20NiCr
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结合强度/MPa
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大于35
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大于70
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大于70
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氧化物含量/%
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小于10
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小于1
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小于1
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显微硬度/Hv
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450～850
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600～950
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600～900
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气孔率/%
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小于3
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小于1
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小于1.5
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*高速等离子喷涂是指使用Praxair的SG100喷枪在MachⅡ参数下工作。
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