等离子喷涂Al2O3·TiO2涂层的性能及其在航空发动机篦齿封严中的应用

张眸睿，常秋梅，李长银，梁 瑛，杨 霖

(1. 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁 沈阳 110043；2. 北京航空航天大学航空发动机学院，北京 100191)

0 前 言

封严技术一直是决定航空发动机工作性能的重要因素。先进的封严技术能减少发动机内部气流的泄漏量，增加发动机推重比，降低耗油率，提高发动机效率[1，2]。据研究表明，封严泄漏量减少1%，可使发动机推力增加1%，耗油率降低0.1%[3]。篦齿封严属于常用的一种非接触式封严方式，为了提高封严效果，通常将篦齿对磨的外环表面设计成金属蜂窝密封团结构，或在外环上喷涂可磨耗封严涂层(如Al/BN、AgCu等)，从而减少篦齿齿顶与外环间的间隙，降低泄漏量，提高发动机效率。当外环为蜂窝结构时，篦齿与蜂窝对磨产生摩擦磨损，会导致篦齿永久变形，造成泄漏量加大，从而加快发动性能衰退，而且磨损物有打伤叶片的风险[4]。

Al2O3·TiO2系列涂层熔点为2 200 ℃左右，通常采用等离子喷涂制备，其化学性能稳定，硬度高，耐磨性好，是目前应用最为广泛的一种陶瓷涂层[5-7]。不同种类Al2O3·TiO2粉末成分、制备方式的不同，所得涂层的性能及使用温度也各不相同。通常将使用温度在1 100 ℃以下的Al2O3·TiO2涂层应用在航空发动机篦齿上，以防止篦齿受损，提高零件使用性能。生产中用于篦齿上的Al2O3·TiO2涂层主要有Metco 101B-NS、AMDRY 187、PAC 710B、ALO-159以及北京矿冶集团制备的国产Al2O3·TiO2粉末。目前关于该类涂层性能及在实体件中的应用报道较少，为此，本工作以某型机用到的Metco 101B-NS牌号的Al2O3·TiO2涂层为例，通过喷涂试片，进行了涂层综合性能分析，基于试验结果进行了实体零件篦齿的喷涂，验证了喷涂效果。

1 试 验

1.1 试验材料

试片基体材料选用和零基体一致的高温合金钢GH4169。显微组织试片尺寸为40 mm× 20 mm× 2 mm，结合强度试片尺寸为25 mm× 2 mm，弯曲试片尺寸为100.0 mm×20.0 mm×1.2 mm，GH4169化学成分如表1所示。

表1 高温合金钢GH4169化学成分(质量分数) %Table 1 Chemical composition of Superalloy steel GH4169(mass fraction) %

在制备Al2O3·TiO2涂层前，需要在基体上先喷涂自粘结底层，本工作选用Metco 450NS (Ni-Al)粉末制备，粉末化学成分如表2所示。面层采用Metco 101B-NS (Al2O3·TiO2)粉末，化学成分如表3所示。

表2 Metco 450NS化学成分(质量分数) %Table 2 Chemical composition of Metco 450NS powder (mass fraction) %

表3 Metco 101B-NS 化学成分(质量分数) %Table 3 Chemical composition of Metco 101B-NS powder (mass fraction) %

1.2 涂层制备

喷涂前，先用丙酮对试片进行清洗除油，再用36目白刚玉砂对试片表面进行吹砂粗化，吹砂风压为0.3 MPa，然后用压缩空气吹除试片表面的浮灰。采用大气等离子喷涂设备PT-A2000进行底、面层的制备。为了保证喷涂质量，通常底层与面层应在吹砂后分次在间隔2 h内进行，喷涂面层应在喷涂底层后2 h内进行。主气及送粉气为氩气，次气为氢气，底面层喷涂工艺参数见表4。由于篦齿喷涂区为斜面，零件喷涂时，无法实现90°垂直喷涂，因此试片喷涂时也采用与零件一致的喷涂角度60°。

表4 等离子喷涂工艺参数Table 4 Plasma spraying process parameters

1.3 涂层性能测试

1.3.1 显微组织

将喷涂后的试片切割、打磨、抛光后置于光学显微镜下，对涂层截面显微组织分析。

1.3.2 显微硬度

参考HB 5486进行显微硬度测试，将制备好的试样置于显微硬度计下，在5 N负荷下，选取10个点分别测量Al2O3·TiO2面层的显微硬度。

1.3.3 结合强度

涂层的结合强度是涂层重要的力学性能之一。对于耐磨涂层，其关系到强化零件使用的可靠性，涂层结合强度不良会引起涂层的剥落，影响其对篦齿的保护，而且脱落的涂层很可能打伤叶片。本次拉伸试验参考HB 5476进行，以1 mm/min的恒定速率施加载荷，直到涂层发生断裂。

1.3.4 弯曲性能

弯曲试验通常用于评价涂层塑形变形和结合强度的综合性能。该测试根据企业涂层验收标准进行，弯曲试验采用的支撑轴直径为12.7 mm，加压支点移动速度为1～2 mm/min，弯曲角度大于85°。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织分析

涂层试样的显微组织形貌如图1所示。通过长度法(界面夹杂占整个界面总长度的比例)，测量得出底层与基体界面污染率为8%。通过面积法(特征区占整个视场面积的比例)，测量得出Ni-Al底层未熔颗粒含量为5%，Al2O3·TiO2未熔颗粒含量为1%，面层孔隙率为4%。

2.2 显微硬度测试结果

显微硬度测量结果见表5。可见涂层硬度值分布在717～882 HV之间，平均值约为810 HV，涂层硬度显然高于基体硬度(300 HV左右)。由此表明，通过等离子喷涂方法得到的Al2O3·TiO2涂层能显著提高篦齿硬度及耐磨性，有效保护篦齿，减小磨损。

表5 涂层不同位置显微硬度值Table 5 Microhardness values at different positions of coating

2.3 结合强度测试结果

图2为涂层拉断界面图，前2组断裂面主要为面层之间，第3组存在面层间、底层间2种断裂。根据拉伸结果，通过计算得出3个试验件涂层结合强度分别为19.2，20.8，20.2 MPa，平均值为20.1 MPa。

2.4 弯曲性能

试片涂层弯曲试验结果如图3所示。从图中可以看出，3组试片弯曲后均无裂纹，无剥落，表明涂层与基体的结合状态良好。

3 零件喷涂验证

基于以上试验结果，采用报废的篦齿封严盘进行零件喷涂验证，喷涂后的零件篦齿如图4所示，涂层呈均匀的灰色，无过烧变色，涂层无裂纹、翘起及剥落现象。

分别选取所喷零件篦齿部分的2个不同位置A、B切割取样并进行金相分析，篦齿截面分别如图5、6所示。从50倍的金相组织图(图5a，6a)中可以看出，齿尖涂层厚度略大，篦齿两端涂层厚度分布均匀，这是由篦齿的特殊形状决定的。从200倍的金相组织图(图5b，6b)中可以看出，涂层的显微组织与试片上的基本一致，涂层界面干浄，未熔颗粒少，面层孔隙率小，表明本研究选用的工艺参数合理，所喷涂涂层性能良好，能很好地对篦齿起到保护作用。

采用本研究选择的工艺参数对真实篦齿零件进行了喷涂，并在某型号发动机上参加了装机试车考核，发动机分解后对零件进行检查，涂层未发生脱落、掉块等缺陷，篦齿基体得到了良好的保护，未发生任何磨损。

带有Al2O3·TiO2陶瓷涂层的篦齿零件在经历过一个寿命周期后，还可以进行返修，将零件表面涂层去除后再次喷涂，零件可继续装机使用，大大提高了零件的使用寿命，减少了因更换篦齿零件导致的发动机修理成本。

4 结 论

等离子喷涂的Al2O3·TiO2陶瓷涂层具有良好的综合性能。涂层的结合强度好，硬度高，且涂层孔隙率小，未熔颗粒少，耐磨性好，用于航空发动机篦齿封严类零件，能有效保护篦齿，防止篦齿磨损，并提高零件的使用性能，延长使用寿命。