熱噴涂技術(shù)
熱噴涂在航空工業(yè)中的應用
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2011-11-23 00:00
航空發(fā)動(dòng)機歷來(lái)是新材料、新工藝的競爭舞臺。航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機不但零件工作條件惡劣：工作溫度高（渦輪前溫度已超過(guò)1300℃）、轉速高（渦輪轉速約10000轉/分）、負荷高，可靠性要求也很高。熱噴涂技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢，已成為航空發(fā)動(dòng)機制造、修理技術(shù)中不可缺少的工藝。熱噴涂技術(shù)不僅采用的時(shí)間早、而且應用的范圍廣、取得的經(jīng)濟技術(shù)收益顯著(zhù)。熱噴涂技術(shù)在很大程度上支持了航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機技術(shù)也拉動(dòng)了熱噴涂技術(shù)的發(fā)展。如今凡是制造、修理航空渦輪發(fā)動(dòng)機的單位都采用了熱噴涂技術(shù)。20世紀70年代一臺航空渦輪發(fā)動(dòng)機進(jìn)行熱噴涂的零件數就已有約500多個(gè)，而目前則已達上千個(gè)零件、3000多個(gè)部位。
現將熱障、封嚴、耐磨涂層的幾個(gè)典型應用實(shí)例介紹如下。
熱障涂層
簡(jiǎn)稱(chēng)"TBC"涂層(Thermal Barrier Coating),通常由金屬(合金)粘結及耐蝕底層和低導熱率的氧化物陶瓷面層組成.已日益廣泛的用于發(fā)動(dòng)機的燃燒室、加力燃燒室、渦輪部件及熱燃氣通道等承受熱應力、熱腐蝕的熱端部件上。熱障涂層又稱(chēng)“隔熱”涂層，它可降低材料的工作溫度，提高材料的使用等級，降低零件對冷卻氣流要求。另外它還能有效阻隔高溫燃氣對材料有腐蝕從而延長(cháng)了材料的使用壽命。
A.加力燃燒室內壁"TBC"涂層隔熱效果：
加力燃燒室的內壁的等離子噴涂"TBC"涂層是用鎳鋁(或鎳鉻)材料作底層，厚度為0.1～0.15mm，面層為氧化物陶瓷，厚度為0.2mm～0.35 mm。這種熱障涂層在兩種加力燃燒室上應用，均取得了良好的隔熱效果，最大的隔熱溫差達120℃。
B.航空發(fā)動(dòng)機火焰筒TBC涂層應用：
美國普·惠（PRATT & WHITNEY）公司的 JT8D 飛機發(fā)動(dòng)機每臺有九個(gè)火焰筒,其內表面均采用了等離子噴涂 NiCoCrAlY+ZrO2 熱障涂層。 JT8D 發(fā)動(dòng)機應用廣泛，不斷改進(jìn)至今,用量已超過(guò)13000臺，火焰筒就有多種型號，它的 NiCoCrAlY+ZrO2 涂層設計成熟，是國際上一度領(lǐng)先的熱障涂層。國內某廠(chǎng)自84年至今已加工噴涂一萬(wàn)多個(gè)火焰筒交付普·惠公司。該廠(chǎng)與美國普·惠公司聯(lián)合研發(fā)的FT8燃氣輪機火焰筒也同樣采用了熱障涂層。
用于火焰筒的NiCoCrAlY+ZrO2 熱障涂層，采用等離子噴涂工藝。原來(lái)底層為0.076～0.12mm厚的鎳鈷鉻鋁釔，面層用氧化鎂穩定的氧化鋯，厚度0.25～0.38mm. 后將底層加厚為 0.12～0.20mm. 20世紀90年代進(jìn)行了優(yōu)化，涂層的底層仍用 NiCoCrAlY，涂層厚度放寬為 0.12～0.23mm, 面層改用氧化釔穩定的氧化鋯粉末，厚度放寬為0.25～0.43mm。因為火焰筒的內徑僅φ130mm，在其內表面噴涂須采用內孔等離子噴槍。
封嚴涂層
航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機有近二十級壓氣機和渦輪葉片，各級之間均有壓差。轉動(dòng)部件與靜止部件之間的間隙嚴重影響壓氣機和渦輪的效率，以至僅葉尖漏氣損失就占發(fā)動(dòng)機整機損失的10～40%。隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機尺寸增大和溫度的升高，發(fā)動(dòng)機的封嚴變得極為重要。
A. 減少徑向間隙的可磨耗涂層
現在常用的控制間隙、減少泄漏損失的熱噴涂封嚴涂層有兩類(lèi)：可磨封嚴涂層和氣路封嚴涂層?？赡ネ繉邮窃谙鄬τ谵D動(dòng)葉片葉尖徑向外側的靜止環(huán)帶上噴涂可磨耗抗沖刷的軟涂層，以減少葉片葉尖處的徑向間隙。常用材料和適用溫度見(jiàn)表1。常用的涂層材料為：鎳/硅藻土、鎳鉻/硅藻土和鎳鉻鋁/硅藻土?？赡シ鈬劳繉釉诓桓膭?dòng)發(fā)動(dòng)機原設計的情況下減小渦輪徑向間隙，使推力提高1～3%，燃油消耗可降低2～5%。
表1 常用可磨涂層材料和適用溫度
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涂層名稱(chēng)
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噴涂方法
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適用溫度
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用途
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1
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聚苯酯
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等離子
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-18℃至340℃
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壓氣機和滑油系統封嚴
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2
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鋁石墨
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火焰、等離子
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450℃以下
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壓氣機部位封嚴
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3
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鎳石墨
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火焰、等離子
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480℃以下
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壓氣機部位封嚴
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4
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鎳硅藻土
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火焰、等離子
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750℃以下
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渦輪部位封嚴
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5
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鎳鉻硅藻土
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火焰、等離子
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850℃以下
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渦輪部位封嚴
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6
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鎳鉻鋁硅藻土
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火焰、等離子
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1000℃以下
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渦輪部位封嚴
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B.氣路封嚴涂層實(shí)際上是耐磨涂層。由于航空燃氣渦輪發(fā)動(dòng)機工作溫度和轉速是動(dòng)態(tài)的，可磨耗涂層減小徑向間隙一般只能在某一種狀態(tài)，如最高溫度和最大轉速時(shí)獲得“零間隙”。為了更有效地在更高溫度條件下減少漏氣損失，一般采用金屬箔蜂窩做成靜止件封嚴環(huán)，由它與帶冠葉片蓖齒的側面形成封嚴效果。在這里蜂窩相當于可磨耗抗沖刷的第一類(lèi)軟“涂層”，而在對應的葉片蓖齒側面則噴涂耐磨涂層。常用的涂層材料為含氧化鈦的氧化鋁或氧化鋯，以改善磨擦提高壽命。FT8動(dòng)力渦輪的渦輪葉片葉冠均采用了等離子噴涂含氧化鈦的氧化鋁耐磨涂層。
可磨耗涂層也可用于發(fā)動(dòng)機滑油系統封嚴，減少滑油泄漏。如發(fā)動(dòng)機的軸承支座，采用等離子噴涂鋁聚苯酯涂層，封嚴效果好壽命長(cháng)。
耐微動(dòng)磨蝕涂層
微動(dòng)磨蝕是航空發(fā)動(dòng)機中較突出的一種磨損故障。它產(chǎn)生在兩個(gè)有一定正壓力作用、工作中有極微小的相對運動(dòng)（一般小于25μｍ）的金屬表面，也稱(chēng)振動(dòng)磨蝕。微動(dòng)磨蝕造成的表面損傷，會(huì )加速其它形式故障產(chǎn)生，直至構件失效。由于航空發(fā)動(dòng)機追求重量輕，大量使用鋁、鎂、鈦合金和鎳基合金，采用柔性結構多，加之工作溫度波動(dòng)大，微動(dòng)磨蝕應當格外重視。熱噴涂技術(shù)可以根據微動(dòng)磨蝕部位不同的工作條件和材料，提供多種耐微動(dòng)磨蝕涂層。長(cháng)壽命航空發(fā)動(dòng)機零件中，廣泛的應用了熱噴涂的耐微動(dòng)磨蝕涂層，小到一個(gè)墊片、銷(xiāo)子，大到直徑近二米的機匣。有零件上有幾十部位須進(jìn)行噴涂。常用的熱噴涂耐微動(dòng)磨蝕材料有：鎳包鋁、銅鎳銦、碳化鎢/鈷、碳化鉻/鎳鉻。
A.發(fā)動(dòng)機機身中部快卸環(huán)部位的耐磨涂層
使用一個(gè)壽命后，快卸環(huán)、導向器外環(huán)和擴散器3個(gè)零件同時(shí)磨蝕出坑，過(guò)去均作報廢以避免故障發(fā)生。經(jīng)過(guò)試驗，這3個(gè)零件都采用等離子噴涂鎳/鋁涂層0.1～0.2mm進(jìn)行了修復，并再次使用。由于鎳/鋁涂層自身具有良好的抗微動(dòng)磨蝕作用，因此不但恢復了零件的幾何尺寸而且還提高了零件的性能，在再次使用一個(gè)壽命后涂層完好無(wú)損，而且還可繼續使用。
B.火焰筒耐磨涂層應用
在一個(gè)JT8D或FT8的火焰筒上，最多有6處采用等離子噴涂耐微動(dòng)磨蝕涂層，其中5處為等離子噴涂鎳鉻/碳化鉻（25/75）涂層，尾段為爆炸噴涂或高速等離子噴涂鎳鉻/碳化鉻（7/93）涂層，厚度均為0.05～0.10mm。使用Praxair3620系統進(jìn)行高速等離子噴涂(噴槍為SG100，MACH Ⅱ參數)，所有的涂層均獲美國普·惠公司的批準，代替爆炸噴涂用于JT8D和FT8十多個(gè)零件上。一般480℃以下用鈷/碳化鎢，480℃-870℃用鎳鉻/碳化鉻。采用不同的噴涂工藝所得到的涂層性能是有差別的，參見(jiàn)表2、表3。
表2：不同噴涂工藝下的鈷/碳化鎢涂層性能對比
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常規等離子噴涂
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*高速等離子噴涂
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爆炸噴涂
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涂層材料
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WC-12Co
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WC-12Co
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WC-12Co
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結合強度/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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顯微硬度/Hv
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大于700
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900～1200
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900～1200
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氣孔率/%
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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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*高速等離子噴涂是指使用Praxair的SG100噴槍在MachⅡ參數下工作。
表3：不同噴涂工藝下的鎳鉻/碳化鉻涂層性能對比
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常規等離子噴涂
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*高速等離子噴涂
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爆炸噴涂
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涂層材料
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Cr3C2-25NiCr
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Cr3C2-7NiCr
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Cr3C2-20NiCr
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結合強度/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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顯微硬度/Hv
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450～850
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600～950
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600～900
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氣孔率/%
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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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*高速等離子噴涂是指使用Praxair的SG100噴槍在MachⅡ參數下工作。
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