張俊紅,魯　鑫,何振鵬,王志平

(1 天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2 天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636;3 中國(guó)民航大學(xué),天津 300300)

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)研究及性能評(píng)價(jià)

張俊紅1，2,魯鑫1,何振鵬1,王志平3

(1 天津大學(xué) 內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072;2 天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津 301636;3 中國(guó)民航大學(xué),天津 300300)

綜述了國(guó)內(nèi)外封嚴(yán)涂層的研究現(xiàn)狀，介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)，重點(diǎn)討論了可磨耗封嚴(yán)涂層性能評(píng)價(jià)和技術(shù)研究現(xiàn)狀。比較了各種涂層材料、評(píng)價(jià)方法的優(yōu)勢(shì)與不足，指出了可磨耗封嚴(yán)涂層的應(yīng)用潛力及研究發(fā)展方向。提出了我國(guó)在可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)研究及性能評(píng)價(jià)方面今后的發(fā)展方向，即涂層制備方法、結(jié)構(gòu)研究、高溫涂層研究和仿真技術(shù)等。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；封嚴(yán)涂層；性能評(píng)價(jià)

航空業(yè)發(fā)展對(duì)世界政治、軍事、經(jīng)濟(jì)以及人們生活有著重要影響。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)動(dòng)力裝置，對(duì)飛機(jī)的性能有著決定性的影響。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率的要求不斷提高。封嚴(yán)涂層作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要技術(shù)，可改善發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，降低油耗。開展封嚴(yán)涂層技術(shù)研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)航空工業(yè)發(fā)展，繼而推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防事業(yè)進(jìn)步有著極其重要的意義。

隨著能源危機(jī)加劇，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低油耗成為了目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究熱點(diǎn)之一[1]。研究表明，葉尖間隙對(duì)壓氣機(jī)和渦輪效率、發(fā)動(dòng)機(jī)功率和油耗率有重要影響。降低葉尖間隙是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低油耗的有效方法[2,3]。由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及機(jī)匣材料熱膨脹差異、葉片伸長(zhǎng)效應(yīng)、零件加工誤差、裝配公差、零部件振動(dòng)引起的位移和變形等因素的影響[4]，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和靜子之間間隙過小，引起轉(zhuǎn)子和靜子的刮擦磨損及機(jī)匣、葉片的損傷，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)重大故障，因此，葉片和機(jī)匣的間隙不能太小。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，保護(hù)葉片和機(jī)匣不受刮擦損傷，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的設(shè)計(jì)與開發(fā)中引入“可磨耗”封嚴(yán)涂層，維持最小氣路間隙以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

近幾十年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)封嚴(yán)涂層進(jìn)行了深入研究，在封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、封嚴(yán)涂層應(yīng)用、涂層材料制備及噴涂方式、封嚴(yán)涂層性能評(píng)價(jià)等方面取得了一系列成果。本文對(duì)近幾十年來封嚴(yán)涂層在上述研究方面取得的成果進(jìn)行綜述，指出封嚴(yán)涂層的應(yīng)用潛力及研究發(fā)展方向。

1　可磨耗封嚴(yán)涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用及影響

1.1可磨耗封嚴(yán)涂層的應(yīng)用

涂層技術(shù)從20世紀(jì)50年代應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)，到70年代已具有較大規(guī)模。1975年，美國(guó)P&W公司的發(fā)動(dòng)機(jī)有2800個(gè)零件采用涂層技術(shù)。英國(guó)Rolls-Royce公司斯貝發(fā)動(dòng)機(jī)采用8種熱噴涂涂層，用于近200個(gè)零件[5]。目前，已有20多種適用于不同部位、不同溫度要求的可磨耗封嚴(yán)涂層粉料(表1為典型可磨耗封嚴(yán)涂層種類和應(yīng)用[3，5，6])。一個(gè)新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要噴涂部件達(dá)3000多處。國(guó)內(nèi)對(duì)封嚴(yán)涂層的研究始于20世紀(jì)70年代后期，在引進(jìn)國(guó)外粉料基礎(chǔ)上自行研制了一批封嚴(yán)涂層，在應(yīng)用中取得了良好效果。

表1　可磨耗封嚴(yán)涂層材料種類及應(yīng)用[3,5，6]

封嚴(yán)涂層主要有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)施工方便，不需要二次釬焊；(2)厚度可控制；(3)維護(hù)簡(jiǎn)單；(4)選材廣泛，適用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況封嚴(yán)要求；(5)能提供優(yōu)良可磨耗性及耐氣流沖蝕性的涂層；(6)涂層性能可通過熱噴涂工藝方法及參數(shù)來調(diào)整；(7)可用于調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)裝配偏心，補(bǔ)償加工公差；(8)可吸收轉(zhuǎn)子或靜子部件熱膨脹錯(cuò)配，并為機(jī)匣提供熱障。

根據(jù)可磨耗封嚴(yán)涂層應(yīng)用的部件和溫度，可將封嚴(yán)涂層分為三類[11](圖1)：(1)低溫封嚴(yán)涂層，其工作溫度低于400℃，主要應(yīng)用于低壓壓氣機(jī)封嚴(yán)，低壓壓氣機(jī)常用的涂層采用耐熱度350℃的鋁硅-聚苯酯封嚴(yán)涂層；(2)中溫封嚴(yán)涂層，工作溫度在400～800℃之間，在高壓壓氣機(jī)和低壓渦輪中有所應(yīng)用，高壓壓氣機(jī)常見的涂層是耐熱度為480℃的鎳-石墨涂層；(3)高溫封嚴(yán)涂層，工作溫度在800℃以上，主要應(yīng)用于高壓渦輪封嚴(yán)，高壓渦輪封嚴(yán)采用耐熱度為1100℃鎳鎘鋁釔涂層[6]。渦輪部件工況環(huán)境苛刻、溫度高，研發(fā)高溫封嚴(yán)涂層成為封嚴(yán)涂層研究的重點(diǎn)。新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，封嚴(yán)涂層使用溫度為300～1200℃，最高可達(dá)1350℃。這對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件封嚴(yán)涂層的高溫防護(hù)、封嚴(yán)、耐磨損等性能提出了新的要求。

圖1　封嚴(yán)涂層及葉片使用溫度和主要成分[11]Fig.1　Operation temperature and major components of abradable coatings and blade[11]

在高于1100℃的使用條件下，常用的金屬基封嚴(yán)涂層材料已經(jīng)不能滿足要求，為適應(yīng)高溫需求，具有更高使用溫度的陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。陶瓷的高溫力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于金屬材料，高壓渦輪段多采用等離子噴涂氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(Yttrium Stabilized Zirconia，YSZ)陶瓷涂層作為氣路密封材料[7]，然而起穩(wěn)定作用的Y2O3容易析出，使ZrO2隨之發(fā)生相變，相變伴隨的體積變化會(huì)使涂層發(fā)生開裂甚至剝落，嚴(yán)重影響其使用性能。為此，Sulzer，Metco和GE公司對(duì)3種不同穩(wěn)定劑穩(wěn)定ZrO2可磨耗封嚴(yán)涂層的性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明，DySZ體系封嚴(yán)涂層性能優(yōu)于YbSZ，YbSZ優(yōu)于YSZ[8]。為進(jìn)一步改善陶瓷涂層與金屬基材的物理相容性，一般需在基材與涂層間加一黏結(jié)層。為提高陶瓷涂層的抗熱震性，西門子公司設(shè)計(jì)了雙陶瓷層涂層結(jié)構(gòu)，在MCrAlY黏結(jié)層與YSZ(>8%)-聚酯YbSZ(>8%)-聚酯陶瓷層之間添加了YSZ(8%)-聚酯中間過渡層，制備成金屬/陶瓷混合層或金屬/陶瓷多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，在1200℃下的測(cè)試結(jié)果表明其性能明顯優(yōu)于MCrAlY/YSZ(YbSZ)-聚酯結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫和超高溫封嚴(yán)涂層進(jìn)行相關(guān)探究，Metco公司對(duì)二元/三元稀土氧化物摻雜氧化鋯作為基體進(jìn)行研究，結(jié)果表明其工作溫度超過1200℃[9]；北京航空航天大學(xué)郭洪波等[10]研制了一種超高溫BaPr2Ti3+xO10+y可磨耗封嚴(yán)涂層，該涂層采用層狀結(jié)構(gòu)，與ZrO2-gO-藻土、多孔ZrO2等封嚴(yán)涂層相比，具有更好的可磨耗性能、抗沖刷以及抗熱沖擊性能。此外，隨著熱噴涂技術(shù)的不斷發(fā)展，具有優(yōu)良抗熱震性能的陶瓷基高溫可磨耗封嚴(yán)涂層也有極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

目前，質(zhì)量更輕、性能更優(yōu)良的SiC纖維增強(qiáng)SiC陶瓷基復(fù)合材料(Ceramic Matrix Composite，CMC)已應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)，為適應(yīng)材料發(fā)展需要，研制以CMC復(fù)合材料為基體的新型可磨耗封嚴(yán)涂層也成為研究熱點(diǎn)。 Strangman等[12]提出一種基于CMC基體可磨耗封嚴(yán)涂層體系，該體系由黏結(jié)層、功能層和可磨耗面層組成。而國(guó)內(nèi)對(duì)CMC基體可磨耗封嚴(yán)涂層研究相對(duì)較少。因此，研制與CMC基體匹配可磨耗封嚴(yán)涂層也成為國(guó)內(nèi)可磨耗封嚴(yán)涂層的重要研究方向。

總體來看，大部分高溫封嚴(yán)涂層尚未成熟，其安全性、可靠性都還需要通過進(jìn)一步驗(yàn)證，尤其是國(guó)內(nèi)高溫封嚴(yán)涂層仍處于研制階段。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，高溫封嚴(yán)涂層將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

1.2可磨耗封嚴(yán)涂層的影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)密封特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有極為重要的影響。提高封嚴(yán)裝置性能、減少泄漏量、確保在更惡劣工作環(huán)境中延長(zhǎng)壽命，對(duì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率(Specific Fuel Consumption,SFC)和減少使用成本有非常重要作用。封嚴(yán)技術(shù)改進(jìn)帶來的具體效益為[13]：(1)飛機(jī)大發(fā)動(dòng)機(jī)直接使用費(fèi)用減少3%，支線飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)直接使用費(fèi)用減少5%；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量降低10%以上；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx的排放量減少50%以上；(4)機(jī)場(chǎng)噪聲降低7dB；(5)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振概率降低，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性；(6)葉片可靠性和壽命提高。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路密封，將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)增壓比和渦輪效率。通過間隙控制可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率、降低油耗，同時(shí)保障其可靠性及穩(wěn)定性。過小的徑向間隙會(huì)導(dǎo)致葉片和機(jī)匣出現(xiàn)碰摩，降低葉片和機(jī)匣壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障，這是因?yàn)閇14,15]：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和機(jī)匣熱膨脹系數(shù)不同；(2)發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片產(chǎn)生伸長(zhǎng)效應(yīng)；(3)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)振動(dòng)引起零件變形；(4)工況變化及其他外界干擾導(dǎo)致的其他機(jī)械變化。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造時(shí)在葉尖與機(jī)匣之間要預(yù)留2～3mm的間隙。間隙過大會(huì)導(dǎo)致氣體大量泄漏,降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，而封嚴(yán)材料應(yīng)用有助于將間隙減小到最低限度。目前國(guó)內(nèi)外開展間隙對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)效率和燃油消耗影響研究，文獻(xiàn)[16]發(fā)現(xiàn)，油耗費(fèi)用占航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接運(yùn)行費(fèi)用的53%，葉尖漏氣損失約占發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)損失10%～40%，典型發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉尖間隙每減小0.13～0.25mm，油耗可減少0.5%～1%，發(fā)動(dòng)機(jī)效率可提高2%左右。文獻(xiàn)[2]指出，如果葉尖間隙Δ與葉片長(zhǎng)度L比值(Δ/L)每增加1%，大直徑風(fēng)扇壓氣機(jī)效率損失則增大2%，低壓或高壓渦輪機(jī)效率損失則增大1%～3%。一臺(tái)典型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖氣路間隙減少0.254mm，效率可提高約1%，壓氣機(jī)徑向間隙增加0.076mm，耗油率增加約1%。文獻(xiàn)[17]指出，典型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉間隙若平均減少0.1245mm,渦輪效率可提高約1%，如果渦輪徑向間隙增加0.127mm,單位耗油量就增大約0.5%(圖2)。2001年GE公司通過間隙控制提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能，平均每個(gè)氣路密封部位降低熱耗0.2%～0.6%，功率輸出提高0.3%～1%[18]。所以，應(yīng)用可刮削封嚴(yán)涂層可以顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)降低油耗[19,20]。根據(jù)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)顯示：相較于沒有噴涂封嚴(yán)涂層發(fā)動(dòng)機(jī)，使用封嚴(yán)涂層發(fā)動(dòng)機(jī)在200h中油耗降低了3600kg[21]；在比油耗相同條件下，使用封嚴(yán)涂層可以提高2.5%推力比[22]。2002年英國(guó)Rolls-Royce公司確認(rèn)，封嚴(yán)材料(涂層)應(yīng)用至少降低0.5%推力比油耗，每臺(tái)Trent500型發(fā)動(dòng)機(jī)由于降低葉片磨損而延長(zhǎng)服役壽命，直接獲得87000～232400英鎊收益[23]。

圖2　徑向間隙(a)和耗油率(b)與部件效率的關(guān)系[4]Fig.2　The influence of the clearance(a) and specific fuel consumption(b) to the efficiency loss[4]

2　封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)

封嚴(yán)涂層的主要結(jié)構(gòu)形式有單層結(jié)構(gòu)、雙層結(jié)構(gòu)、多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)[24]。最初采用的單層結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層是將復(fù)合材料制成涂料直接噴涂到機(jī)匣上，然而該結(jié)構(gòu)的涂層和基體熱膨脹系數(shù)相差較大，涂層在熱循環(huán)下易發(fā)生脫落。為緩解涂層循環(huán)熱應(yīng)力，在涂層和基體之間加入一層合金黏結(jié)層[25]，涂層結(jié)構(gòu)由面層和黏結(jié)層構(gòu)成。在涂層的面層中存在著孔隙結(jié)構(gòu)以提高封嚴(yán)涂層的刮摩性(圖3(a))，圖3(b)為鋁硅聚苯酯涂層的結(jié)構(gòu)[26]。

圖3　封嚴(yán)涂層的組織[26]　(a)封嚴(yán)涂層面層；(b)鋁硅聚苯酯涂層Fig.3　Microstructures of abradable coatings[26] 　(a)abradable coating;(b)AlSi-polyphenyl ester coating

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度不斷提高，可磨耗封嚴(yán)涂層工作條件更加惡劣，為提高涂層高溫下力學(xué)性能和抗氧化性，延長(zhǎng)涂層使用壽命，未來封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向梯度結(jié)構(gòu)發(fā)展，涂層的化學(xué)成分和材料性能，沿著涂層厚度方向連續(xù)變化，能進(jìn)一步緩解涂層之間的熱應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)涂層與基體材料性能的最佳匹配，由于目前技術(shù)所限，很難使梯度層材料性能沿厚度方向連續(xù)變化。另一方面，通過控制封嚴(yán)涂層的孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙率大小，同時(shí)提高封嚴(yán)涂層隔熱性能和高溫可磨耗性，實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)涂層的多功能化，使其在高溫下具有良好隔熱性能和可刮削性。

3　封嚴(yán)涂層材料及其制備方法

3.1封嚴(yán)涂層材料

封嚴(yán)涂層位于發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和渦輪機(jī)匣上，所處位置和功能決定其要在高溫和高速氣流沖刷的條件下工作。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，葉尖對(duì)可磨耗涂層的磨損機(jī)制非常復(fù)雜，包括切削、涂抹、黏附轉(zhuǎn)移、破碎、熔融、腐蝕及氧化等。理想情況下，封嚴(yán)涂層需要良好可磨耗性，以保證涂層不能磨損葉尖，但同時(shí)又要保持足夠的硬度以防止高溫氣流及其攜帶顆粒沖蝕。這一相互矛盾的性能要求也使得其開發(fā)者能夠相對(duì)自由的選擇不同成分配比。同時(shí)，其必須具備良好的抗氧化腐蝕、抗熱震性、抗自燃、自潤(rùn)滑性能等特性。為滿足以上需求，可磨耗封嚴(yán)材料大多由一定比例的金屬相和具有自潤(rùn)滑作用的非金屬?gòu)?fù)合材料組成[27,28]。

封嚴(yán)涂層大多選用復(fù)合材料，主要成分是金屬相，非金屬相和孔隙[29]。其中金屬相具有可噴涂性、結(jié)合強(qiáng)度、抗氧化、抗沖蝕性等性能，而且能提高抗腐蝕性能。常用有鎳、鈷、銅、鋁等及其合金。非金屬相提供減磨、抗黏著、可磨耗性和自潤(rùn)滑性能，如石墨、聚苯酯、硅藻土、膨潤(rùn)土、六方氮化硼等[30]；這些非金屬相大多具有較低的硬度、剪切強(qiáng)度和摩擦因數(shù)[31]。孔隙能夠使涂層發(fā)生適應(yīng)性形變，可以降低涂層硬度，減少涂層向葉片轉(zhuǎn)移量[26]，提高涂層密封性能，使涂層更易被葉片刮削。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的封嚴(yán)涂料及其特性如表2所示[6]。

表2　可磨耗封嚴(yán)涂層的型號(hào)及性能[6]

Note：F-flame spraying；P-plasma spraying；M-Metco company in America；A-Amdry company in America；KF-Beijing general research institute of mining and metallurgy；CM-institute of process engineering in chinese academy of sciences；AHB and BKHA-the product model of abradable coating in Russia；HR15Y-one type of Rockwell hardness.

目前國(guó)外已經(jīng)研制20多種封嚴(yán)材料，這些材料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)不同的部件，能夠滿足不同溫度和工況要求[32]。根據(jù)中國(guó)工程材料使用手冊(cè)可知，典型的封嚴(yán)涂層材料有Metco307NS鎳包石墨涂層，Metco601NS鋁硅聚苯酯涂層，Metco203NS氧化釔-氧化鋯涂層等。我國(guó)早期在引進(jìn)國(guó)外粉末，按照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)噴涂的基礎(chǔ)上自行研制了CM46鎳鉻鋁硅藻土，KF118鎳鉻鋁石墨等封嚴(yán)涂層，取得了一定的效果[33]。圖4為封嚴(yán)涂層粉末的結(jié)構(gòu)[34]。但總體來說，我國(guó)自行研制的涂層無(wú)論從性能還是適用范圍相較于國(guó)外有著一定差距。

圖4　封嚴(yán)涂層粉末組織[34]　(a)NiAl；(b)AlBNFig.4　Microstructures of powder of abradable coatings[34] 　(a)NiAl；(b)AlBN

發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的不斷提高對(duì)封嚴(yán)涂層材料提出了更高的要求，國(guó)外在這方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并且在封嚴(yán)涂層噴涂結(jié)構(gòu)和材料方面有新的進(jìn)展，Strangman研制了新型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的YSZ封嚴(yán)涂層[12]。國(guó)內(nèi)目前也有學(xué)者開始了該方面的研究，楊偉華[35]在K77基體上制備有3層結(jié)構(gòu)MCrAlYs高溫封嚴(yán)涂層，并研究噴涂功率對(duì)其基本性能影響；程旭東[36]用等離子噴涂法制備了P7268涂層(圖5)，并對(duì)其高溫下穩(wěn)定性及抗熱震性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果證明其能在高溫下穩(wěn)定工作。

圖5　P7268涂層的蜂窩狀結(jié)構(gòu) [36]Fig.5　Honey comb structure of coating P7268 [36]

3.2封嚴(yán)涂層常用的制備方法

目前封嚴(yán)涂層主要制備方式是熱噴涂。熱噴涂是指細(xì)微而分散的金屬或非金屬涂層材料，以熔化或半熔化狀態(tài)，沉積到經(jīng)過制備基體表面，形成某種噴涂沉積層的一系列過程。它是利用某種熱源(如電弧、等離子噴涂或燃燒火焰等)將粉末狀或絲狀金屬或非金屬材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，借助焰流或壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理的基體表面，沉積形成具有各種功能的表面涂層的一種技術(shù)。熱噴涂技術(shù)具有操作靈活、效率高、工序少等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)中，其可分為火焰噴涂、電弧噴涂、常壓等離子噴涂(Air Plasma Spraying，APS)、低壓等離子噴涂(Low Pressure Plasma Praying，LPPS)、超音速火焰噴涂、爆炸噴涂等。在封嚴(yán)涂層中最常用的噴涂方式是等離子噴涂和火焰噴涂。

(1)等離子噴涂：等離子噴涂方式主要有可控氣氛等離子噴涂、大氣等離子噴涂、穩(wěn)定液態(tài)等離子噴涂等。其原理是氣體通過壓縮電弧形成高溫等離子體[37]，利用等離子火焰將涂層粉末熔化而形成涂層。該噴涂方法利用高速飛行熔融或半熔融態(tài)粒子撞擊變形后疊加形成涂層，其表面粗糙度低，顯微組織呈片層狀，孔洞較多。等離子噴涂廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層制備中。

(2)火焰噴涂：火焰噴涂的原理是氧與燃料以高速、高壓噴入燃燒室，燃燒后產(chǎn)生2727℃高溫和1500m/s高速膨脹氣流，噴涂粉末送入氣流中，粉末顆粒被加熱并被加速噴射到基體上，得到高質(zhì)量涂層[38]。

火焰噴涂成本低，可以適用于各種金屬、非金屬基體，對(duì)基體的影響小，故廣泛應(yīng)用與涂層制備中，但是火焰噴涂制備涂層結(jié)合性能較低，難以承受復(fù)雜的交變載荷。

隨著科技發(fā)展，對(duì)封嚴(yán)涂層質(zhì)量要求越來越高，為克服傳統(tǒng)等離子噴涂和火焰噴涂的涂層易氧化缺點(diǎn)，增強(qiáng)涂層與基體結(jié)合性能，近年來在其基礎(chǔ)上發(fā)展低壓等離子噴涂、爆炸噴涂、超音速火焰噴涂等新技術(shù)。

(1)低壓等離子噴涂：噴涂全過程都是在抽氣真空的容器中進(jìn)行，在噴涂早期抽氣，把壓力降到1.33Pa左右。降低氧氣壓力的同時(shí)，將惰性氣體壓力調(diào)整到2664～105Pa進(jìn)行噴涂[39]。低壓等離子噴涂避免粉末在噴涂過程中被氧化，射流被拉長(zhǎng)膨脹，具有更高速度，提高噴涂效果，被應(yīng)用于合金-氧化物封嚴(yán)涂層的噴涂中。

(2)爆炸噴涂：爆炸噴涂由美國(guó)UCC公司研制成功，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[40]，是目前噴涂速度最高的一種噴涂工藝。首先它將乙炔氣及氧氣通入噴槍，同時(shí)用氮?dú)鈱娡糠勰┧腿雵姌專c(diǎn)燃后產(chǎn)生突發(fā)性爆炸，生成爆炸沖擊波來加熱涂層粉末，并以500～800m/s速率噴向工件表面形成涂層。其制備涂層致密度高、結(jié)合性能好，然而由于爆炸不連續(xù)，故其效率偏低。

(3)超音速火焰噴涂：它將丙烷或氫氣、丙烯等與氧氣混合并燃燒以便將涂層粉末(金屬粉末或碳化物)預(yù)熱并以約300～500m/s的超音速噴向工件表面形成涂層。其最大優(yōu)勢(shì)是低溫超音速[41]，制得涂層結(jié)合強(qiáng)度高，氧化物少，孔隙率低。在高溫封嚴(yán)涂層制備中有良好的應(yīng)用前景。

隨著封嚴(yán)涂層技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)涂層噴涂技術(shù)的要求越來越高，先進(jìn)噴涂方式將會(huì)應(yīng)用到封嚴(yán)涂層的制備中，對(duì)噴涂工藝參數(shù)選擇和噴涂過程控制成為目前封嚴(yán)涂層制備技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

4　封嚴(yán)涂層性能的評(píng)價(jià)方法

可磨耗封嚴(yán)涂層性能的系統(tǒng)評(píng)價(jià)已成為涂層研制和發(fā)展的重要組成部分，也是制約封嚴(yán)涂層技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一?？赡ズ姆鈬?yán)涂層的性能評(píng)價(jià)方法包括涂層的使用情況和涂層性能兩個(gè)方面[42]。封嚴(yán)涂層性能評(píng)價(jià)需要綜合多方面的指標(biāo)，主要有可磨耗性、抗沖蝕性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、抗熱震性、化學(xué)穩(wěn)定性等，以及低摩擦因數(shù)、耐蝕性和整體強(qiáng)度。大量學(xué)者從實(shí)驗(yàn)、理論、仿真等方面針對(duì)這些指標(biāo)開展了研究，取得了一定的研究成果。

4.1可刮削性

可刮削性是指封嚴(yán)涂層與葉片發(fā)生刮擦?xí)r涂層的被磨耗能力，也稱為“可磨耗性”。是評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于可刮削性的最基本要求是封嚴(yán)涂層優(yōu)先被刮削，葉片不磨損或者少量磨損，刮削時(shí)摩擦副的能量損失小?？晒蜗餍苑从沉四Σ粮钡南到y(tǒng)特征，不僅與葉片和封嚴(yán)涂層的理化性能和力學(xué)性能密切相關(guān)，也受載荷、刮削速率、環(huán)境和溫度等一系列因素影響。

評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層的刮削性能經(jīng)過了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，總體而言可以分為：?jiǎn)我坏牧W(xué)性能測(cè)試—普通的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)-刮削式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)—模擬工況的摩擦式實(shí)驗(yàn)。早期評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層可刮削性能的方法有劃痕法，劃痕硬度法，車削法等，其原理和特點(diǎn)如表3所示[42]。

表3　早期評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層刮削性能方法[42]

原始的刮痕法用硬度來評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層的可刮削性，即硬度越低，涂層可刮削性越好。在實(shí)際服役過程中，封嚴(yán)涂層受到氣流的強(qiáng)烈沖蝕，故要求涂層有足夠的硬度抵抗沖蝕，單純用硬度評(píng)價(jià)涂層的可刮削性已經(jīng)不能滿足評(píng)價(jià)的需求，目前常用的定量評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層可刮削性的性能指標(biāo)主要有以下幾種：

(1)磨損質(zhì)量比：指封嚴(yán)涂層與葉片刮摩一段時(shí)間之后，封嚴(yán)涂層磨損質(zhì)量與葉片磨損質(zhì)量之比：

(1)

式中：ΔWs為涂層磨損質(zhì)量；ΔWb為葉片磨損質(zhì)量。n值越大，說明封嚴(yán)涂層的可刮削性越好，由于測(cè)量方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

(2)能耗：指葉片刮削涂層時(shí)消耗能量，一般采用等效摩擦功作為評(píng)判依據(jù)。該指標(biāo)需要測(cè)量高速刮擦中的扭矩和轉(zhuǎn)速，該方法適用于涂層葉片連續(xù)刮削情況，不適用于斷續(xù)刮削。

(3)磨損機(jī)理圖：磨損機(jī)理圖包含磨損機(jī)理、葉片磨損量、刮擦線速度、入侵速率等信息，內(nèi)容直觀、信息量大，對(duì)于封嚴(yán)涂層可刮削性評(píng)價(jià)十分適用，然而繪制磨損機(jī)理圖需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，故在科研中應(yīng)用較少。

隨著技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)機(jī)模擬成為評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層可刮削性重要手段。美國(guó)NASA Lewis研究中心研制成了模擬葉片蓖齒的試驗(yàn)臺(tái)架，Bill等[43]利用該臺(tái)架對(duì)多種封嚴(yán)涂層進(jìn)行研究，對(duì)影響刮擦性能因素進(jìn)行了分析；美國(guó)的PWA公司研制了高速刮擦裝置，以刮擦能量學(xué)為研究?jī)?nèi)容，測(cè)定刮削時(shí)能耗和溫度分布，通過運(yùn)動(dòng)鰭片模型計(jì)算葉片、封嚴(yán)涂層的能量分?jǐn)?shù)，研究刮擦速度和入侵速率等一系列因素對(duì)封嚴(yán)涂層可刮削性的影響[44]。Yi 等[45]分析M313，M310等幾種封嚴(yán)涂層的摩擦行為和可刮削性，并對(duì)其進(jìn)行排序。Sulzer公司和Metco公司[46]制造了一種模擬性更好的可磨耗試驗(yàn)臺(tái)，工作原理與磨耗試驗(yàn)機(jī)類似，葉尖線速度為150～500m/s，切削涂層速度為1.5～3000μm/s,在 1200℃以下溫度范圍內(nèi)可加熱試樣。Stringern和Marshal[47]用高速實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)封嚴(yán)涂層刮削性能進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，分析不同測(cè)試條件下涂層的磨損，磨損模式與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)涂層磨損形式能較好吻合。表4列出了國(guó)外高速刮擦實(shí)驗(yàn)臺(tái)架主要參數(shù)和評(píng)價(jià)方法[4]。

表4　高速刮擦試驗(yàn)臺(tái)架主要參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]

Note:Ft-skiving force;Fn-normal force;Tb-the surface temperature of blade;Ts-the surface temperature of abradable coating;M-the mass of chip.

20世紀(jì)90年代，西安交大等單位采用M-200磨損試驗(yàn)機(jī)研究多種中溫封嚴(yán)涂層在不同載荷下可磨耗性及磨損機(jī)理[48]。陸明珠等[49]利用自制電子沖擊刮削試驗(yàn)機(jī)，對(duì)封嚴(yán)涂層進(jìn)行了可刮削性測(cè)試，得到刮削載荷-位移曲線，對(duì)封嚴(yán)涂層可磨耗性和結(jié)合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。中科院金屬研究所高禩洋等[50]利用單擺沖擊劃痕法研究了三種封嚴(yán)涂層的沖擊刮削性能，通過比能耗曲線判斷其刮削性能，同時(shí)，已完成高速/高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研制,并利用該試驗(yàn)機(jī)對(duì)封嚴(yán)涂層的可刮削性進(jìn)行了相關(guān)研究。

近些年來，數(shù)值模擬技術(shù)開始應(yīng)用在封嚴(yán)涂層可刮削性研究中：Legrand等[51]在本構(gòu)力學(xué)的基礎(chǔ)上對(duì)葉片刮削封嚴(yán)涂層的過程進(jìn)行了仿真模擬，分析轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等因素對(duì)涂層磨損的影響。Batailly等[52]建立了葉片三維有限元模型，通過數(shù)值模擬計(jì)算分析封嚴(yán)涂層可刮削性，研究了涂層力學(xué)性能對(duì)間隙變化影響?？傊?，數(shù)值模擬技術(shù)在評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層可刮削性方法中占有越來越重要地位。

通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外封嚴(yán)涂層可刮削性研究發(fā)展及成果，國(guó)內(nèi)在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的功能和實(shí)驗(yàn)方法的選擇上與國(guó)外有著巨大的差距，尤其是在封嚴(yán)涂層可刮削性的表征判斷和評(píng)價(jià)判據(jù)上，目前國(guó)內(nèi)對(duì)其研究仍處于初級(jí)階段，實(shí)驗(yàn)條件與工況差距大，得到結(jié)論說服力不夠。因此，系統(tǒng)深入開展模擬工況下封嚴(yán)涂層可刮削性實(shí)驗(yàn)方法及判據(jù)研究十分必要，同時(shí)應(yīng)開展對(duì)封嚴(yán)涂層可刮削性的數(shù)值模擬研究。

4.2抗沖蝕性

飛機(jī)飛行時(shí)，封嚴(yán)涂層會(huì)受到氣流和砂礫強(qiáng)烈沖刷，導(dǎo)致封嚴(yán)涂層產(chǎn)生沖蝕磨損。因此，要求封嚴(yán)涂層有抵抗沖蝕的能力。可磨耗性和抗沖蝕性其實(shí)是矛盾的，目前，如何平衡可磨耗性和抗沖蝕性成為了封嚴(yán)涂層的一個(gè)重要研究課題[53]。

影響沖蝕磨損因素有磨粒尺寸、沖蝕角、磨粒速率、沖蝕時(shí)間、環(huán)境溫度、被沖蝕材料硬度、加工硬化和材料顯微結(jié)構(gòu)等。沖蝕磨損率是衡量沖蝕磨損的關(guān)鍵指標(biāo)，包括質(zhì)量沖蝕磨損率和體積沖蝕磨損率，考察磨損率的方法是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行測(cè)量，拍攝SEM照片考察靶材的微觀變化，對(duì)靶材的外觀進(jìn)行比較分析。由于封嚴(yán)涂層的沖蝕磨損是復(fù)雜動(dòng)態(tài)物理過程，磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡、靶材應(yīng)力狀態(tài)、微觀變形等比較重要的考察因素，測(cè)量起來比較困難。在實(shí)際涂層沖蝕理論分析中，難以綜合全面考慮上述細(xì)節(jié)過程，因此，準(zhǔn)確建立封嚴(yán)涂層沖蝕理論模型是該研究的難點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層抗沖蝕性能的標(biāo)準(zhǔn)體系[29]，在評(píng)估封嚴(yán)涂層抗沖蝕性方面，一般采用氣-固粒子沖蝕裝置檢驗(yàn)，固體顆粒一般采用氧化鋁或二氧化硅粉末[3]。西安交大對(duì)中溫封嚴(yán)涂層抗沖蝕性能進(jìn)行研究，易茂中等利用自制電子沖擊刮削試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試封嚴(yán)涂層的沖擊刮削載荷-位移曲線，用沖擊刮削韌性來表征涂層沖蝕磨損特性?？紤]到該方法會(huì)產(chǎn)生氣體繞流，導(dǎo)致固體沖蝕方向變化，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估封嚴(yán)涂層抗沖蝕性能。他們又用自制CMS-100真空自由落砂沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，開展更接近真實(shí)工況環(huán)境下真空沖蝕和熱沖蝕研究，分析了封嚴(yán)涂層的沖蝕磨損行為和機(jī)理[54-56]。中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，利用封嚴(yán)涂層沖蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)多種封嚴(yán)涂層可磨耗性和抗沖蝕性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明涂層的抗沖蝕性能取決于涂層金屬相[16]。中國(guó)民航大學(xué)利用JPBM 28070型噴砂設(shè)備，研究不同沖蝕角度、沖蝕速率和沖蝕顆粒尺寸對(duì)封嚴(yán)涂層性能影響[57]。

自20世紀(jì)八九十年代以來，有限元法開始應(yīng)用與材料沖蝕模擬中，目前有限元法在該領(lǐng)域的使用并不廣泛，只是作為輔助分析工具，主要研究金屬材料沖蝕磨損行為。Shimizu等[58，59]利用有限元軟件MARC，研究用球形鋼粒沖蝕低碳鋼和球墨鑄鐵的沖蝕角對(duì)沖蝕率的影響。Eitobgy等[60]建立了模擬三維沖蝕過程的有限元模型，在考慮材料熱彈塑性情況下對(duì)Ti-6Al-4V材料的抗沖蝕性進(jìn)行了模擬。Wang等[61]基于Johnson-Cook模型建立了材料的有限元抗沖蝕模型，模擬了粒子速率、沖蝕角度對(duì)塑性材料和脆性材料的影響。有限元技術(shù)對(duì)沖蝕磨損研究有效可行，驗(yàn)證了一些傳統(tǒng)的理論，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，其在封嚴(yán)涂層抗沖蝕性評(píng)價(jià)中有著良好的應(yīng)用前景。

4.3結(jié)合性能

封嚴(yán)涂層的結(jié)合性能指封嚴(yán)涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，結(jié)合強(qiáng)度是評(píng)價(jià)涂層質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是保證涂層滿足其力學(xué)、物理、化學(xué)性能的基本前提[62]。常用來測(cè)量涂層基體材料界面結(jié)合強(qiáng)度的方法有：

(1)拉伸法。這類方法廣泛應(yīng)用于涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量中，分為兩種：一種是橫向拉伸法[63-67]，其原理是基于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的剪滯模型。主要手段是通過拉伸基體，測(cè)量涂層和基體剝離的載荷。然而這種方法僅適用于涂層彈性模量大于基體彈性模量的情況，不適用于封嚴(yán)涂層。另外一種是垂直拉伸法[26,68-72]，這種方法的實(shí)施是將某種膠黏劑，將涂層表面粘接在某一能夠方便施加載荷的物體上,然后在另一端施加載荷(圖6)，具體實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)ASTM C633-2001 或GB/T 8642-2002 標(biāo)準(zhǔn)。方法的不足之處是如果出現(xiàn)了膠黏劑的粘接強(qiáng)度小于涂層與基體的界面拉伸強(qiáng)度,就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，其測(cè)試結(jié)果更多地反映面層本身的內(nèi)聚強(qiáng)度或面層內(nèi)顆粒間的結(jié)合力，涂層斷裂位置在面層內(nèi)部而非與基體交界處，采用黏結(jié)拉伸法評(píng)價(jià)涂層結(jié)合性能存在一定的缺陷[73]。

圖6　黏結(jié)拉伸法裝置示意圖[26]Fig.6　The schematic diagram of pull-off method[26]

(2)界面壓入法。鑒于粘接法的不足，易茂中等提出一種測(cè)試封嚴(yán)涂層結(jié)合性能的新方法——界面壓入法[74-76]，該方法是將壓頭直接壓在界面上，使界面開裂，用界面開裂載荷值來衡量涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度(圖7)[63]。涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度測(cè)定可在維氏硬度計(jì)上測(cè)定，無(wú)需特別制備試樣，較好解決斷裂部位不在涂層與基體界面的問題。該方法適用于厚度較大的封嚴(yán)涂層[74]，但存在以下兩個(gè)缺陷：一是壓頭附近應(yīng)力情況非常復(fù)雜，邊緣效應(yīng)影響使之很難測(cè)得實(shí)際應(yīng)力；二是當(dāng)測(cè)量對(duì)象為脆性涂層時(shí)，會(huì)出現(xiàn)涂層先于界面開裂。目前還沒有能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層結(jié)合強(qiáng)度的方法，相關(guān)工作需要進(jìn)一步的完善。

圖7　界面壓入法示意圖[63]Fig.7　The schematic diagram of interfacial indentation method[63]

以上兩種方法是針對(duì)厚涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量，測(cè)量涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度的方法還有扭轉(zhuǎn)法、劃痕法、剪切法、彎曲法、激光法、壓入法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法等。從目前所取得的一些成果來看，對(duì)于脆性涂層韌性基體材料體系，可優(yōu)先考慮采用橫向拉伸法測(cè)量其界面的剪切強(qiáng)度，對(duì)于界面強(qiáng)度在90MPa以下涂層，可嘗試采用垂直拉伸法測(cè)量，對(duì)于較厚涂層可考慮直接采用標(biāo)準(zhǔn)的剪切方法測(cè)量其界面的剪切強(qiáng)度，對(duì)于結(jié)合強(qiáng)度較弱的涂層基體體系，在判斷涂層可能不會(huì)發(fā)生開裂的情形下，可以嘗試采用彎曲法測(cè)量。總體來看，目前還沒有一種理論能夠完整地描述涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度的分布情況，在結(jié)合強(qiáng)度方面，未來有待于研究的是：(1)對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法不斷修正和改善；(2)對(duì)測(cè)量新方法不斷探索；(3)對(duì)韌性涂層韌性基體材料體系界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)量；(4)對(duì)涂層/基體體系界面結(jié)合強(qiáng)度測(cè)量方法探索；(5)對(duì)一些測(cè)量方法建立合理的力學(xué)模型進(jìn)行求解；(6)結(jié)合有限元模擬方法對(duì)涂層基體界面結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

4.4抗熱震性

結(jié)合強(qiáng)度一般是在室溫下測(cè)定，難以反映封嚴(yán)涂層高溫惡劣工作環(huán)境，因此抗熱震性成為評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層重要指標(biāo)，良好抗熱震性意味著飛機(jī)在起飛、飛行、加速、減速和降落等一系列飛行工況下發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時(shí)，封嚴(yán)涂層不會(huì)輕易剝落失效[73]。

封嚴(yán)涂層抗熱震性的評(píng)價(jià)方法一般是將涂層試樣加熱至高溫，保溫一段時(shí)間后采用水冷或風(fēng)冷降到指定低溫，使試樣在高溫與低溫之間反復(fù)切換，通過涂層剝離所需要循環(huán)次數(shù)來評(píng)價(jià)涂層的抗熱震性，不同涂層對(duì)熱震性能的實(shí)驗(yàn)條件和循環(huán)次數(shù)都有不同的要求，涂層實(shí)驗(yàn)條件和循環(huán)次數(shù)如表5所示[77，78]。

表5　封嚴(yán)涂層抗熱震性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[77，78]

對(duì)于長(zhǎng)壽命和高可靠性的封嚴(yán)涂層，涂層出現(xiàn)破壞循環(huán)周期通常會(huì)很長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)成本昂貴，效率低下。近幾年來，越來越多地通過數(shù)值模擬技術(shù)評(píng)價(jià)涂層熱震性能。Ebert等[79]對(duì)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯封嚴(yán)涂層在熱載荷下的失效模式進(jìn)行分析，對(duì)其在熱沖擊下應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。Tsui等[80]建立封嚴(yán)涂層三維模型，模擬其在受熱情況下殘余應(yīng)力分布。Johnston[81]在對(duì)其模型進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，研究封嚴(yán)涂層材料參數(shù)在熱沖擊環(huán)境下對(duì)殘余應(yīng)力分布影響。總體看來，數(shù)值模擬技術(shù)在封嚴(yán)涂層熱震模擬中應(yīng)用較少，但前景值得期待。

4.5其他性能

封嚴(yán)涂層熱穩(wěn)定性是指封嚴(yán)涂層在高溫下維持原有性能的能力，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，熱穩(wěn)定評(píng)價(jià)日益重要。現(xiàn)有測(cè)試方法有兩種：一是將封嚴(yán)涂層試樣在高溫下保持一段時(shí)間后檢測(cè)其性能(主要是硬度)[82]；另外一種是采用差示掃描量熱儀測(cè)量涂層DSC曲線和TGA曲線。通過DSC曲線和TGA曲線判定涂層熱穩(wěn)定性[1]。

在某些特殊狀況下，需要評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層的抗氧化性和抗腐蝕性。抗氧化性可參照GB/T 13303-1991標(biāo)準(zhǔn)，采用靜態(tài)加速熱氧化法測(cè)試；耐腐蝕性可采用 ASTM G76標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

封嚴(yán)涂層的孔隙狀況也對(duì)封嚴(yán)涂層的性能有著很重要的影響。通常而言，隨著涂層孔隙率增大，涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度降低，其可刮削性提高，抗沖蝕性降低，同時(shí)，涂層密布微孔有效降低涂層彈性模量緩解熱應(yīng)力,使涂層熱導(dǎo)率下降，提高涂層抗熱震性。通過分析封嚴(yán)涂層孔隙率及其分布是評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能的一種間接方法。

目前對(duì)涂層孔隙狀況的表征多集中在孔隙率分析方面，常用的方法有稱重法，圖像分析法，小角度中子散射法等。這些方法都會(huì)對(duì)涂層試樣產(chǎn)生破壞。大連理工大學(xué)的吳迪利用超聲無(wú)損檢測(cè)法對(duì)封嚴(yán)涂層的孔隙信息進(jìn)行了測(cè)量和分析[83]。目前對(duì)孔隙率的研究還處于初步階段，在未來通過孔隙率表征分析研究封嚴(yán)涂層性能是一種有效方法。

此外，目前我國(guó)對(duì)封嚴(yán)涂層的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有兩項(xiàng)：(1)航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層的涂覆工藝(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：HB/Z5031-1977)；(2)熱噴涂封嚴(yán)涂層質(zhì)量檢驗(yàn)(標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：HB7236-1995)。由此可見，評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范亟需完善，建立評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能體系和標(biāo)準(zhǔn)刻不容緩。

5　封嚴(yán)涂層失效分析

封嚴(yán)涂層的工作條件非常惡劣，在實(shí)際工作中受到高溫沖擊、氣流砂礫沖蝕以及鹽霧腐蝕等，這些因素都有可能導(dǎo)致封嚴(yán)涂層出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致涂層的剝落，失效。封嚴(yán)涂層的失效模式主要有以下幾種：

(1)熱疲勞失效。熱疲勞失效主要指封嚴(yán)涂層在熱應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的疲勞失效，主要形式有熱穩(wěn)失效和熱震失效。熱穩(wěn)失效是指封嚴(yán)涂層在高溫下內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)失效[22]。圖8為鋁硅聚苯酯在300℃下保溫不同時(shí)間后微觀形貌[26]?？梢钥闯觯S著時(shí)間的推移，涂層中出現(xiàn)裂縫，并且擴(kuò)展導(dǎo)致涂層失效。

圖8　不同保溫時(shí)間下鋁硅聚苯酯的微觀形貌[26](a)36h;(b)72h;(c)108h;(d)144hFig.8　The microstructures of AlSi-polyester in different time[26](a)36h;(b)72h;(c)108h;(d)144h

熱震失效是指涂層在循環(huán)熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)致脫落。由于封嚴(yán)涂層的工作溫度不斷變化，加之面層、黏結(jié)層、基體的熱膨脹系數(shù)不匹配，在涂層表面以及層與層交界處產(chǎn)生應(yīng)力梯度，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，殘余應(yīng)力的累積最終導(dǎo)致涂層剝落和失效。

(2)沖蝕失效。封嚴(yán)涂層工作時(shí)，受到強(qiáng)烈氣流和砂礫沖蝕。氣流和砂礫沖擊作用使得涂層表面產(chǎn)生劃痕或凹坑，甚至將涂層材料沖掉，削弱涂層性能，而且在涂層表面的劃痕可能會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生裂紋，影響涂層的壽命。

(3)腐蝕失效。航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作或停放過程中，常處于腐蝕環(huán)境下，這就會(huì)造成封嚴(yán)涂層腐蝕問題，常見的失效模式是鹽霧腐蝕。通過實(shí)驗(yàn)可以看出(圖9)，在鹽霧腐蝕一段時(shí)間之后，原本粗糙的涂層表面出現(xiàn)凝膠狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)風(fēng)干后成為粉末，極易脫落，造成涂層失效[34]。

圖9　Al-BN和NiCrAl-NiC封嚴(yán)涂層經(jīng)過不同時(shí)間鹽霧腐蝕后表面宏觀形貌[34]Fig.9　The macrophotos of Al-BN & NiCrAl-NiC abradable coating before and after salt spray corrosion in different time[34]

6　封嚴(yán)涂層研究發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)

隨著新能源、新技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用溫度的不斷提升以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的更新?lián)Q代，對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的各項(xiàng)性能要求也越來越高。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外封嚴(yán)涂層的研究情況，在分析了國(guó)內(nèi)已有研究的基礎(chǔ)上，指出封嚴(yán)涂層相關(guān)技術(shù)研究發(fā)展方向和發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外目前已開發(fā)出了一系列適用于不同部件、不同溫度的可磨耗封嚴(yán)材料，對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的評(píng)價(jià)手段也日臻完善。但是在以下方面還有很多工作需要開展：

(1)涂層的制備方面。對(duì)涂層成分、粉料制備、噴涂工藝等相關(guān)理論進(jìn)行研究，探索其相互關(guān)系，得到最佳成分配合及噴涂參數(shù)。根據(jù)實(shí)際需求，建立粉料和涂層所需實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量和性能評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)從研究、生產(chǎn)、檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)體系。同時(shí)研發(fā)適用于不同工作條件的納米級(jí)別封嚴(yán)材料，尤其是耐高溫封嚴(yán)材料。

(2)封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)方面。涂層的結(jié)構(gòu)朝著多層化、梯度化發(fā)展，減小層與層之間材料性能差異，提高與基體的匹配性能成為未來發(fā)展的方向。針對(duì)目前高溫可磨耗陶瓷封嚴(yán)涂層(ZrO2，BN)的可磨耗性的問題，改進(jìn)微觀結(jié)構(gòu)對(duì)增強(qiáng)其可磨耗性有著重要的意義[84]，如尋找更新的、性能更好的填料用于制備梯度封嚴(yán)涂層，減小熱應(yīng)力，提高抗熱震性和結(jié)合性能是封嚴(yán)涂層研究領(lǐng)域重要課題。

(3)涂層性能評(píng)價(jià)方面。目前我國(guó)對(duì)封嚴(yán)涂層的性能評(píng)價(jià)以組織、硬度、孔隙率、結(jié)合強(qiáng)度、水淬抗熱震等基本性能為主，缺乏對(duì)封嚴(yán)涂層高溫可磨耗性、熱穩(wěn)定性、匹配性等模擬實(shí)際工況的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)設(shè)備，無(wú)法在裝機(jī)前對(duì)高溫高速刮削條件下涂層性能穩(wěn)定性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)和控制。故應(yīng)探索模擬接近實(shí)際工況的評(píng)價(jià)可磨耗性和抗沖蝕性的方法，建立模擬實(shí)際工況的封嚴(yán)涂層實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行針對(duì)性實(shí)驗(yàn)，分析封嚴(yán)涂層失效模式。同時(shí)針對(duì)涂層工作條件，研究其熱穩(wěn)定性、匹配性能評(píng)價(jià)方法，建立合理評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能體系。

(4)目前我國(guó)對(duì)封嚴(yán)涂層的研究主要集中在中低溫可磨耗封嚴(yán)涂層上。對(duì)于高溫可磨耗封嚴(yán)涂層的研究十分欠缺。研究高溫可磨耗封嚴(yán)材料、制備與新型CMC基體匹配的可磨耗封嚴(yán)涂層是將來發(fā)展的熱點(diǎn)。

(5)隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用越來越廣。由于進(jìn)行封嚴(yán)涂層刮摩實(shí)驗(yàn)成本高，而且有些工況無(wú)法模擬，應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能有著成本低、評(píng)價(jià)指標(biāo)全面等優(yōu)勢(shì)。數(shù)值模擬和工況實(shí)驗(yàn)相結(jié)合將會(huì)是未來評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)尚缺乏涂層基于在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況環(huán)境下失效機(jī)理的研究。

7　結(jié)束語(yǔ)

隨著“大飛機(jī)”項(xiàng)目上馬，我國(guó)航空工業(yè)迎來了發(fā)展的契機(jī)，因此對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)，尤其是動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。對(duì)高性能封嚴(yán)涂層有著迫切需求。

封嚴(yán)涂層的應(yīng)用有著顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，然而目前國(guó)內(nèi)封嚴(yán)涂層無(wú)論是制備還是性能檢測(cè)上較國(guó)外都有較大差距。因此，制備適用于高溫部件的先進(jìn)封嚴(yán)涂層，建立完善的評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能指標(biāo)體系成為封嚴(yán)涂層研究領(lǐng)域的當(dāng)務(wù)之急。

建議豐富封嚴(yán)涂層性能評(píng)價(jià)方法，完善封嚴(yán)涂層性能評(píng)價(jià)體系和選材體系，研發(fā)模擬實(shí)際工況的封嚴(yán)涂層實(shí)驗(yàn)臺(tái)架，進(jìn)行有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)引入數(shù)值模擬技術(shù)，以模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合的方法評(píng)估封嚴(yán)涂層性能，為封嚴(yán)涂層失效分析提供理論依據(jù)，以便在降低成本的同時(shí)更好指導(dǎo)封嚴(yán)涂層材料的制備工藝、噴涂工藝的選擇，提升我國(guó)封嚴(yán)涂層材料乃至航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制與應(yīng)用水平。

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Technique Application and Performance Evaluation for Abradable Coating in Aeroengine

ZHANG Jun-hong1，2,LU Xin1,HE Zhen-peng1,WANG Zhi-ping3

(1 State Key Laboratory of Engine Combustion,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2 Renai College,Tianjin University，Tianjin 301636，China;3 Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

The general situations of abradable coating in China and abroad were reviewed in this research, and the structure and application features of abradable coating in aeroengine were also introduced. The performance evaluation and technological researches of abradable coating were emphasized, too. The advantages and disadvantages of different abradable coatings and evaluation methods were compared. The application prospects and future research directions were put forward and clarified. The further focused research directions of both the abradable coating technological research and performance evaluations in China were declared，the study on coating preparation,structure of the coating,high temperature coating research and simulation technology need further development.

aeroengine;abradable coating;performance evaluation

國(guó)家自然科學(xué)基金與民航局聯(lián)合資助重點(diǎn)項(xiàng)目(U1233201)； 天津市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(13ZCZDGX00200)

2014-01-13;

2015-09-08

王志平(1963-)，男，博士，教授，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)焊接與熱噴涂技術(shù)研究工作，聯(lián)系地址：天津市東麗區(qū)津北公路2898號(hào)中國(guó)民航大學(xué)北院行政樓科技處處長(zhǎng)室(300300)，E-mail:zpwang@cauc.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.04.016

TG174.4;TH117.1

A

1001-4381(2016)04-0094-16