航空發動機到底用到了多少種涂層

航空發動機到底用到了多少種涂層?

涂層技術(Coating Technology)在當今航空發動機中已經獲得了廣泛應用,主要用來延長發動機零部件的使用壽命,在很長一段時間里,國內對涂層技術是存在質疑的。一方面是對涂層的功能性吃不透,設計有偏差;另一方面,涂層的關鍵性能不達標,起不到功能性作用。因此,涂層通常被戲稱為“一件可穿可不穿的衣服”(還不如裸奔來的實在)。


然而,歐美無論是軍用還是民用航空發動機動輒幾千小時、甚至上萬小時的首次翻修壽命已經告訴我們,涂層在這之中發揮了不可取代的作用。那么,就讓我們來看看航空發動機到底用到了哪些涂層吧~


最“脆弱”的涂層——易磨涂層

易磨涂層(Abradable Coating),是發動機葉尖封嚴系統的一部分,也叫“封嚴涂層”。通常應用于機匣零件中的跑道面,主要作用是減少葉尖碰磨損傷。由于易磨涂層需要跟葉尖進行對磨,為了保護葉尖,易磨涂層一般硬度小,結合力差,從而能夠保證葉尖在大服役狀態碰上時,能夠有效地刮削涂層。

      根據不同的服役溫度環境,易磨涂層的材料分為壓氣機部分的AlSi-聚酯、AlSi-BN、NiCrAl-膨潤土和渦輪部分的NiCrAlY以及陶瓷涂層等。工藝上根據不同的材料,會使用到火焰噴涂、等離子噴涂以及超音速火焰噴涂等工藝。




最“堅硬”的涂層——耐磨涂層

既然有“玻璃心”涂層,那肯定也有“勇敢的心”——耐磨涂層(Wear Resistant Coating),主要應用于需要防止摩擦磨損以及沖擊磨損的發動機零部件,例如軸類零件、W封嚴環以及低渦葉片緣板的配合面。當然,在蜂窩封嚴系統中,也存在著耐磨涂層,用來防止篦齒的齒尖發生磨損。還有一種耐磨涂層,多用于軍用航空發動機的壓氣機葉片,用來面對惡劣環境下的抗沖蝕磨損。


      耐磨涂層的材料種類也是多種多樣的,軸類零件多采用WC-Co涂層,封嚴環以及緣板配合面采用CoMoCrSi涂層,篦齒采用Al2O3-SiO2涂層,而抗沖蝕多采用TiN涂層。工藝上,TiN涂層采用物理氣相沉積(PVD)工藝,其他耐磨涂層多采用等離子或者超音速噴涂工藝。當然,對于CoMoCrSi涂層現階段多采用堆焊工藝。


最“耐熱”的涂層——熱障涂層

熱障涂層(Thermal Barrier Coating)大概是近十年來研究最火熱的航發涂層種類了,應用于航空發動機的熱端零部件,主要面向燃燒室以及高壓渦輪。其作用就是降低零件表面溫度,從而使零件維持高溫下應有的力學性能。熱障涂層由粘結層和面層構成,粘結層的作用主要是防止零件基體氧化和腐蝕,而面層的主要作用在于提供隔熱效果。因此,在低壓渦輪葉片上,粘結層也可以單獨使用,從而只提供抗氧化腐蝕性能。


粘結層有熱噴涂類的MCrAlX以及擴散類的NiAl/NiPtAl類型,而面層現如今依舊多采用8YSZ(8%Y2O3 stabilised ZrO2)材料,工藝針對不同零件分為等離子噴涂和電子束物理氣相沉積。


隨著陶瓷復合材料(CMC)在航空發動機中得到越來越多的應用,環境障涂層(Environmental Barrier Coating,EBC)將會取代一部分熱障涂層,成為另一種在熱端部件使用的高端涂層技術。


最“抗冷”的涂層——防冰涂層

沒錯,發動機既要耐熱也需要抗冷,畢竟由于結冰而導致的航空事故也不在少數。當然,現有的設計水平已經可以從根本上解決一些發動機結冰的問題,但在一些特殊領域,防冰涂層依舊存在用武之地。

防冰涂層在原理上可分為兩類,一種是Anti-icing Coating,另一種是De-icing Coating。如果強行解釋的話,Anti-icing的功能是防止結冰(不讓水汽在零件表面凝結),De-icing的作用則是使結冰層快速脫落,兩者通過噴涂的方式實現,主要用在進氣錐等發動前端部位,當然,更多的在飛機機身領域進行應用。


最“特殊”的涂層——CBC/RBC

最后,航空發動機中還存在著一些特殊的“涂層”,Coke Barrier Coating(CBC,抗結焦涂層)和Radiation Barrier Coating(RBC,抗輻射涂層)是兩種僅用在燃燒室噴嘴的涂層技術。

在僅有直徑不到1mm的輸油管路中,采用了抗結焦涂層,主要作用是防止燃油在高溫下碳化,凝結在管壁中,最終造成輸油管路堵塞。而抗輻射涂層則存在于噴嘴的干腔中,用來降低由于輻射帶來的溫度升高。無論是CBC還是RBC,其組分多采用貴金屬Pt。但是,要在狹長的輸油管內壁進行涂層制備,則是一項比較難以實現的工藝,咱們國內現今還沒有相關的技術儲備。

以上,我們只講了后綴為“Coating”的技術,至于,潤滑類涂層(Film Lubricant)、噴漆(Painting)、滲碳滲氮(Carburisation,Nitriding)、陽極化(Anodising)、電鍍(Plating)這些跟涂層或多或少都有點關系的技術,咱們以后再聊。

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