航空发动机上应用的先进防护涂层

刘 敏

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司数据中心情报信息处，辽宁 沈阳 110043）

航空发动机上应用的先进防护涂层

刘 敏

（沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司数据中心情报信息处，辽宁 沈阳 110043）

本文主要介绍了包埋渗透法、非接触式渗、和化学气相沉积（CVD）等几种铝化物扩散涂层的沉积方法，并阐述了制备耐热涂层和耐侵蚀、腐蚀涂层的主要工艺特点。

包埋渗透法；非接触式渗；化学气相沉积；耐热涂层

1.简介

现代发动机在结构和技术上的进步引领了新型涂层的发展并对以前应用的涂层进行了改良。发动机的前半部分即冷却端，包括风扇和压气机，典型应用耐磨蚀涂层和密封涂层。就现代发动机来说，像风扇叶片、压气机叶片和叶轮等这种冷却端零部件，都是由复合材料、钛铝合金、钛和耐热钢制造而成。但在发动机的受热端，包括燃烧室区域和涡轮部分，应用的是热障涂层（TBCs）和高温密封涂层。本论文的目的是展示作者本人在铝化物扩散涂层、热障涂层和耐侵蚀、腐蚀涂层方面的研究。

2.铝化物扩散涂层沉积方法

要增强涡轮零部件尤其是动、静叶片和燃烧室的耐久性和提高服役温度，可以通过应用防护涂层来实现。高温合金零部件对各种涂层的需求导致涂层在30多年来的应用中迅猛发展。涂层的演变同时还伴随着结构材料的发展。现如今，工程师和制造师有多种涂层沉积技术可供使用，能制备出黏结、扩散和粘扩散涂层，其中大多数都是由通用技术发展改进的，例如化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）或热喷涂技术。

2.1包埋渗法

扩散涂层主要在扩散渗铝过程中，或在渗透复合物Al-Cr、Al-Si、Pt-Al、Ti-Al过程中沉积而成。在粉末渗透过程中，将待涂镀零件置于特定容器内，然后用专用的粉末混合剂将零件包埋，该混合剂含有像Al2O3、铝化物粉末或合金以及化学活化剂等中性添加物。接下来将容器密封好置于炉内，化学活化剂在700℃～1050℃的限定工艺温度范围内会产生输送蒸汽源。扩散渗铝工艺以这种方式通常持续工作长达20个小时，并要严格控制以防止粉末混合剂氧化。要获得不同厚度或Al浓度的涂层可采用多种类粉末工艺。所说的多种类粉末可以分为高度、中度和低度活化粉末。在铝化物涂层沉积过程中，在高温约1050℃下生成低铝含量NiAl相（低活性过程），而在700℃下则生成高铝含量NiAl相（高活性过程）。

2.2非接触式渗

非接触式渗是将待渗零件置于容器内，避免其与粉末混合剂相接触，该混合剂通常呈颗粒状。此工艺过程是在甑式炉或真空炉内完成的。在整个涂层沉积过程中需向容器内供应额外的中性运载气体，以输送出沉积涂层时产生的混合气体。现有几种不同的非接触式渗透法正在被应用，包括负压渗透工艺、由SNECMA研发的脉冲气相渗铝工艺以及用两种不同化学成分的混合物进行的渗透工艺似乎最具吸引力。该方法的主要益处如下：无需待渗材料与粉末接触，这一点能显著提高涂层的表面质量；可对整个工艺过程实施更多的控制；工艺过程更加整洁（与粉末工艺相比）；以及铝化物涂层可以通过添加元素进行改良以提高其耐热性能。图1所示为铂改良铝化物涂层的显微结构，该结构是在镀铂和镀铝过程中获取的。

铂改良铝化物涂层能提高耐热性能，已在1100℃下1小时循环的试验室抗氧化循环试验中得以证实。

2.3CVD渗铝技术

化学气相沉积技术由上述铝化物扩散涂层沉积技术演变而来。化学气相沉积过程中将涡轮叶片置于甄内，并向甄内供应在外部反应器内生成的AlCl3+H2气体。AlCl3气体是在含有铝化物的受热生成器内与HCI发生反应后形成的。然后预热AlCl3+H2，在温度约达1000℃时供应到甄内。装有气体的化学气相沉积甄通常在钟罩式炉、均热炉或升降式炉内加热到工作温度。存留在甄内的反应气体用特殊气体中和系统进行处理。渗铝法能同时涂覆涡轮叶片的内外表面，尤其是冷却通道，该区域用其他涂覆方法就比较难处理。除此之外，应用该工艺还可以调节冷却率，这对几种铸造高温合金热工作参数的计算至关重要。

3.热障涂层制备工艺

由于燃烧室零部件和动静叶片上采用热障涂层，所以进口温度可以有所增加。与涂有陶瓷涂层的材料表面温度相比，采用热障涂层能使所应用的高温合金表面温度降低170℃左右。此外，热障涂层能降低必需的冷却空气量，同时能保持恒定的排气温度，而且能显著提高零部件的耐久性和抗热变能力。

热障涂层是由含有ZrO2xY2O3的陶瓷面层和含有MCrAlY（M=Ni，Co，Fe）的黏结层构成的。较低的导热性再结合陶瓷材料的特性能降低黏结层之上的层间温度，这就能使热障涂层的抗氧化性和抗高温腐蚀性有所提高。

最通用的热障涂层制备技术有APS（空气等离子喷涂）、LPPS（低压等离子喷涂）或EB-PVD（电子束物理气相沉积）。热喷涂技术通常用来制备燃烧室零部件及静叶片上应用的TBCs（热障涂层），而动叶片上应用的热障涂层一般采用EB-PVD技术制备。

用空气等离子喷涂技术和EB-PVD技术制备的TBCs在结构和性能上各有不同。等离子喷涂的涂层显示为带状结构，而EBPVD制备的涂层以柱状结构为特征。等离子喷涂的热障涂层易受热应力影响，有大量的微裂纹产生和生长从而导致出现裂解现象，这也有可能致使涂层完全剥落。众所周知，在陶瓷层与MCrAlY层之间形成的TGO（热生长氧化物）层对热障涂层的耐久性有很大的影响。TGO层对热障涂层性能的影响，尤其是对结构和厚度的影响，成为当前研究的主要课题。

采用EB-PVD技术制备出的热障涂层结构在实际应用中显示出更强的抗热应力能力。不仅仅是因为在沉积过程中形成的有特点的柱状结构在热循环期间起到较好的应力补偿作用，还有这种结构能防止涂层基底出现裂纹。

4.耐侵蚀、腐蚀涂层制备工艺

应用防护涂层可以防止航空发动机零部件遭受腐蚀损伤。发展PVD技术目的在于提高涂层的性能并扩展其应用范围。由目前研发的PVD技术获得的涂层成为航空发动机压气机叶片最具吸引力的涂层制备技术之一。用于这种特殊结构件的防护涂层必须符合多方面要求，既包括机械性能的还包括耐腐蚀和耐磨损方面的。

Arc-PVD属于PVD技术的一种，制备出的防护涂层种类广泛，当然也包括多层涂层。该技术以高的电离度和相对高的沉积能力为特征。Arc-PVD的主要优势在于制备出的涂层不仅非常坚固耐磨，而且耐腐蚀性极强。

由PVD技术制备的涂层中，氮化铬涂层较其它氮化物涂层的耐腐蚀性相对更高一些，原因在于该涂层结构精细密实且密度高。可以通过应用铬或铝夹层来提高氮化铬涂层的密度，其密度的高低在很大程度上决定了涂层的耐腐蚀性能。

Arc-PVD技术制备的铬涂层对钢基合金的粘结性最强，高达80N，另外，它能对之后的Cr/CrN多层涂层中较硬的氮化铬层提供完美的粘结效果。除此之外，也一直在尝试制备铝粘结层和Al/ AlN多层涂层。

铝基涂层是最具发展前景的阴极保护涂层。通过磁控管溅射获得的涂层显示出良好的耐腐蚀性，但是这种涂层的摩擦性能却很差。采用PVD技术制备出的涂层具有较强的耐腐蚀性当然是最合理也是最可取的，尤其是在自动化和飞机制造业领域。沉积到钢质材料上的Al、AlMg、Cr、Cr/CrN和Cr/CrN/Al涂层有望取代主要以电沉积工艺制备的镉涂层。

Arc-PVD制备的多层涂层由氮化铬组成且包含铬夹层，其具有很高的耐腐蚀性。这种涂层也被公认为灵敏涂层，因为它们的结构能根据作业条件决定磨损强度。经证实叶片进气边上相对软的铬涂层很少遭受损伤，而排气边上的氮化物硬化层能提供有效的防腐蚀保护。

结论

提高发动机效率和可靠性可以通过应用防护涂层得以实现。防护涂层系统的发展新趋势很可能包括制备多层涂层、梯度涂层和改良涂层，它们在性能上要超过目前已有的涂层。采用CVD技术制备耐热扩散涂层、喷涂热障涂层来调节比迄今为止所能达到的还要高的温度以及将EB-PVD技术应用于旋转叶片，这些就是本文作者的当前研究课题。

［1］李民，程玉贤.航空发动机用高温防护涂层研究进展［J］.中国表面工程，2012，25（1）：16-21.

TG174

A