航空发动机的表面涂层技术

航空发动机的表面涂层技术

ＳｕｒｆａｃｅＣｏａｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅ
总参谋部陆航部株洲地区军事代表室

［摘要］结合实际应用，对发动机上各主要部件所使用的涂层及其工艺与性能特点进行了描述，并介绍了目前航空发动机涂层技术的分类和使用情况。
关键词：表面涂层

涂覆工艺

航空发动机
［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ｗｉｔｈｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅａｃｔｕａｌａｐｐｌｉ￣

ｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓｉｎｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｄｅ￣ｓｃｒｉｂｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｕｓａｇｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｅｄｉｎａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓａｒｅｉｎｔｒｏ￣ｄｕｃｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｕｒｆａｃｅｃｏａｔｉｎｇＣｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ

随着航空发动机技术不断发展和性能不断提高，其工作温度也逐步升高，目前先进发动机的压气机出口温度已达到６５０℃，燃烧室及加力燃烧室的工作温度接近２０００℃，涡轮进口温度达到１６５０～１７５０℃。但这些部位的零件所用的基体材料的性能和所能承受的温度有限，不可能完全满足要求，为了提高其寿命、可靠性和抗疲劳等性能，使用各种涂层是一种有效方法。

１航空发动机使用的涂层分类
（１）保护涂层。

抗磨、耐冲击等保护涂层可对管路、附件、叶片、机匣、帽罩等发动机构件起到改善工作条件、提高可靠性和延长使用寿命的作用。如为提高冠状涡轮工作叶片叶冠接触面的耐磨性，可在叶冠接触面上喷涂ＣｏＣｒＷ或ＣｏＣｒＭｏ硬质合金等耐磨材料。

（２）封严与密封涂层。为限制转子、
静子之间的间隙，不使气流泄漏，在静子、

转子叶片或封严蓖齿上涂覆软、硬涂层，用磨损涂层的方法来保持封严。

（３）橡胶涂层。
航空发动机压气机叶片在工作中处于高离心负荷状态，在振动作用下最容易被破坏，所以叶片的减振非常重要。叶片振动的形式包括强迫振动、颤振、旋转失速和随机振动。为保证发动机安全工作，压气机叶片振动不能过大，为此，除了在叶片设计上采取加凸尖、减振环、阻尼块、带冠叶片、宽弦叶片、加强

肋、削尖等减振措施外，有的国外发动机正采用橡胶涂层，即将橡胶涂层涂于压气机叶片燕尾槽底部，然后将叶片装入压气盘的燕尾槽内。橡胶涂层属于高弹性分子材料，振动时可吸收能量，有明显的阻尼作用，其密封性好，使用寿命长，且容易更换，便于维护。

（４）热障涂层。现代航空发动机的涡轮进口温度高达１６５０～１７５０℃，但第三代单晶材料只能承受１１００℃的温度；用复杂的气冷方式，冷效也只有
４００℃左右，还有１００～２００℃的差距，只能靠发展热涂层

技术来解决这一问题。热障涂层在燃烧室中的应用已有３０多年历史，近年来，热障涂层已成为涡轮叶片设计和维护的关键技术之一，如在ＣＦＭ￣５６Ａ、Ｆ４１４、ＪＴ９Ｄ、

ＰＷ２０００、ＰＷ４０００等涂层发动机的工作叶片和导向叶
片上就应用了ＴＢＣ、ＰＷＡ２６５、ＰＷＡ２６６、ＰＷＡ２６４等涂层材料。大量试验证明，热障涂层热变形小、耐蚀、耐磨、密封性好，最高可将叶片工作温度提高１５６℃，用在发动机高温部件上可提高发动机效率和延长发动机使用寿命。美国普惠公司在ＪＴ３Ｄ和ＪＴ３８Ｄ发动机的风扇叶片、压气机叶片、燃烧室、涡轮叶片等处采用了热障涂层，目前，热障涂层已发展到了第３代。英国Ｒ・

Ｒ公司的Ｓｐｅｙ发动机有２００多个零件使用了热障涂层，尤其是在第１～３级涡轮叶片的叶冠上均使用了热障

涂层，从而改善了叶片的可靠性，提高了发动机功率。
２

发动机主要部件所使用的涂层及工艺

２．１
压气机叶片

目前，压气机叶片广泛采用的防护工艺有４种：（１）ＷＺＬ涂层。ＷＺＬ涂层与美国的Ｓｅｒｍｅｔｅｌ￣ｗ涂

层属于同一类型的中温防护涂层，能有效解决钢叶片在６００℃以下各种复杂环境中的腐蚀问题。ＷＺＬ涂层分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类，其中Ⅰ类为不导电涂层，Ⅱ、Ⅲ、
Ⅳ类为导电涂层，也就是通常所说的牺牲性阳极防护涂层，对钢叶片具有优越的电化学腐蚀防护能力。ＷＺＬ

系列涂层的缺点是比较松软，抗气流冲刷能力差。

ＷＺＬ￣８是一种由复合盐组成的涂料，具有良好的
渗透性和结合力，形成涂层后，可改善涂层粗糙度，具

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专题综述
有更高强度和硬度，抗气流冲刷能力明显提高。因此，在１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ压气机叶片上采用ＷＺＬ底层＋

ＷＺＬ￣８封闭面层形成的复合涂层是一种较理想方法。

（２）Ｎｉ￣Ｃｄ扩散镀层。Ｎｉ￣Ｃｄ镀层是在叶片上先镀上８～１２μｍ厚的Ｎｉ层（作为不锈钢基体的阴极保护层），再在上面镀３～５μｍ厚的Ｃｄ层。在３５０℃温度下进行１ｈ扩散处理，形成Ｎｉ￣Ｃｄ合金层和γ￣Ｃｄ４Ｎｉ金属间化合物，该合金对不锈钢基体来说为阳极合金镀层，具有牺牲性阳极保护能力。Ｎｉ￣Ｃｄ扩散镀层对叶片具有很好的防护作用，能在一定程度上降低叶片振动疲劳。
（３）Ａｌ２Ｓ低温渗Ａｌ复合涂层。Ａｌ２Ｓ涂层分两步进行，即先进行低温渗铝，而后再涂硅酸盐。渗铝层为叶片基体提供牺牲性阳极保护，硅酸盐涂层为障碍性隔离保护涂层。从工艺技术来看，它是由热处理渗层和表面涂层相结合的复合防护层，具有很高的防腐蚀能力，已在国内外得到普遍应用。

（４）叶片榫头防护涂层。

压气机叶片榫头的工作条件十分恶劣，不但要承受叶片的离心负荷，而且还要承受很大的挤压应力、振动应力和微振磨损。为了提高叶片榫头的使用可靠性，目前广泛采用保护涂层或镀层，例如我国某涡喷系列发动机的钛合金转子叶片榫头采用镀银；某涡扇发动机的钛合金风扇叶片榫头采用干膜润滑剂，钛合金转子叶片榫头也采用镀银；我国某型涡扇发动机的ＧＨ４１６９合金转子叶片榫头采用喷丸强化，ＴＡ１１钛合金叶片采用Ｃｕ－Ｎｉ－Ｉｎ等离子喷涂涂层。上述各类涂层对榫头的主要作用是：防止榫头接触面产生微振磨损和微动疲劳，避免榫头在工作过程中折断；对叶片起阻尼减振作用；防止榫头与盘榫槽接触面粘结，便于发动机分解和维修；增加榫头与榫槽的接触面积，减小接触应力，使榫头受力更均匀。
２．２燃烧室

随着发动机推重比的提高，燃烧室的工作温度也

在不断提高。燃烧室表面涂层的目的是提高零件的抗氧化、耐热、耐磨和密封性能。可采用陶瓷涂层、氧化锆涂层、耐磨涂层和镍石墨涂层等。陶瓷涂层是抗氧化涂层，如我国某些涡喷系列发动机火焰筒壁内外表面、加力燃烧室的火焰稳定器、调节片和密封片等均涂有陶瓷涂层。氧化锆涂层是隔热涂层，如加力燃烧室后部工作温度高，易产生热裂纹和烧蚀，改进后的涡喷发动机在此部位的隔热屏上喷涂了氧化锆涂层后，大大减少了此类故障的产生；英国ＲＢ２１１发动机燃烧室衬套表面采用了热喷氧化锆涂层，防止了因热变形而产生的
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航空制造技术・２００７年第６期

裂纹，极大提高了燃烧室使用寿命。Ｃｏ￣Ｃｒ￣Ｗ涂层是耐磨涂层，涂在火焰筒外套后安装边挂火焰筒处，提高了零件的使用寿命。还有个别的燃烧室零件采用了表面镀铬、镀镍、镀银、镀锌和涂漆或高温磁漆工艺。
２．３涡轮叶片

涡轮导向器叶片的工作温度比涡轮叶片更高，目前

国内在役的涡喷、涡扇发动机的寿命一般小于１０００ｈ，很难用一种材料同时满足叶片长期工作所需的高温蠕变强度和抗高温氧化腐蚀性能，通常通过复杂合金化来提高基体材料的耐高温强度，用表面涂层来提高防护性能。目前，用于航空发动机涡轮工作叶片和导向器叶片的涂层工艺主要有四大类：
（１）铝化物扩散涂层。采用化学热处理方法，如粉末包埋法、料浆法、气相法等，使叶片表层获得富铝层（Ａｌ的质量分数在３０％以上），厚度５～４０μｍ，表面生成

Ａｌ２Ｏ３保护膜，膜在破裂后有较好的自愈性，能满足涡

轮叶片的防护要求，是一种工艺简单、
费用低廉、工艺稳定的扩散涂层方法。我国各型涡喷发动机的８０％的涡轮导向器叶片都采用此法防护。但由于铝与基体材料中的镍形成ＮｉＡｌ金属间化合物，使渗铝层变脆，容易崩裂、剥落。研究人员曾发现工作寿命超过７００ｈ的叶片在渗铝层与基体界面上会生成有害的针状σ相，因此，渗铝层的厚度和使用寿命应适当控制。

（２）改性铝化物扩散涂层。

为弥补渗铝层的以上不足，２０世纪６０年代末改性铝化物扩散涂层被开发出来，如Ｃｒ￣Ａｌ、Ｓｉ￣Ａｌ、Ｔｉ￣Ａｌ、Ｐｔ￣Ａｌ、Ｐｄ￣Ａｌ、Ｔｉ￣Ｓｉ￣Ａｌ、ＮｉＣｒ￣ＣｒＡｌ等。
其中性能最优的是Ｐｔ￣Ａｌ改性扩散涂层，同时这种涂层在工业燃气轮机中也获得了广泛应用，使燃机工作寿命可超过５０００ｈ。我国在８０年代引进的法国全套专利技术生产的某型涡轴发动机的导向器叶片采用Ｃｒ￣Ａｌ共渗防护涂层，要求涂层厚度为３０～６０μｍ，实测值为４０～５３μｍ，防护效果能满足使用要求。但零件经固溶＋渗层后，合金的γ′相粗大（明显超过法国件），粗大的γ′相对基体的强化效果降低，对室温拉伸性能造成了影响。

Ｓｉ￣Ａｌ共渗应用较广泛，如我国多种型号的发动机叶片均采用Ｓｉ￣Ａｌ共渗涂层。用该工艺获得的涂层性

能稳定，能满足使用要求，但涂层塑性较差，所以厚度不宜太大，实际控制在３０μｍ左右。ＮｉＣｒ￣ＣｒＡｌ共渗在俄罗斯ＡЛ￣３１Φ发动机上被应用，但工艺比较复杂。
（３）包覆涂层。包覆涂层是先进的高温防护涂层，其典型的成分为ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ），其质量分数

为Ｃｒ（２０～４０）％、Ａｌ（５～１２）％、Ｙ（或其他活性元素Ｔａ、

Ｈｆ等）小于０．５％。包覆涂层的特点是成分兼顾了抗氧
化腐蚀性和塑性，因为它的塑性比扩散涂层好，故厚度允许大些，通常为１００μｍ左右。

目前制备ＭＣｒＡｌＹ包覆涂层的工艺方法有物理气相沉积（电子束物理气相沉积、磁控溅射、真空电弧离子镀）和等离子喷涂（低压等离子喷涂、氩屏蔽等离子喷涂）。某型涡喷发动机ＩＣ６合金Ⅱ级导向器叶片采用磁控溅射和真空电弧离子镀工艺制备ＮｉＣｒＡｌＹＳｉ和

ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ包覆涂层，其中真空电弧离子镀ＮｉＣｏ￣
ＣｒＡｌＹ涂层已投入批量生产。

某型涡喷发动机ＤＺ２２合金涡轮工作叶片采用的磁控溅射ＮｉＣｒＡｌＹ涂层，某型涡轴发动机Ⅰ级涡轮工作叶片采用的低压等离子喷涂

ＮｉＣｏＣｒＡｌＹＴａ六元素涂层都取得了良好的效果。目前，ＭＣｒＡｌＹ涂层存在的主要问题是涂层有局部剥落现象，
涂层厚度不均匀和粗糙度不够理想等。

（４）热障涂层。热障涂层是复合性涂层，其结构在各种涂层中最为复杂，用ＭＣｒＡｌＹ作为底层，再在其上喷涂用Ａｌ２Ｏ３或ＭｇＯ稳定化的ＺｒＯ２作面层。有资料报道，涂覆０．１２７ｍｍ隔热涂层后，叶片金属温度降低

１８９℃，冷却气流减少５０％。由于该涂层的陶瓷材料较
脆，目前只能用在导向器叶片上。

其喷涂工艺主要有等离子喷涂及电子束气相沉积两种方法，两者各有优势。电子束气相可形成柱状组织，但导热系数较高；等离子喷涂的导热系数较低，但易剥落，因此热障涂层的广泛应用受到限制。解决热喷涂工艺存在问题的一种途径是采用微叠层热障涂层，用的是溶胶￣凝胶法，将氧化钇稳定的氧化锆层（ＹＳＺ）与ＺｒＳｉＯ４层交替涂覆形成微叠层复合材料以代替较早的热障涂层。该技术依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，利用高温金属作韧化元素，从而很好地克服了金属间化合物的脆性。目前，采用真空热压箔、物理气相沉积、铸造和固态反应等方法已研制出几种微米层次的微叠层复合材料，包括Ｎｂ￣Ｃｒ２Ｎｂ、Ｎｂ￣Ｎｂ５Ｓｉ３以及Ｎｂ￣ＭｏＳｉ２等。

除用于叶片外，微叠层复合材料在无疲劳合金涂层、抗砂蚀树脂基复合材料风扇叶片涂层等方面也有应用。另一种途径是采用纳米
ＴＢＣ，即用多层彼此交替的纳米氧化钇稳定的氧化锆

层（ＹＳＺ）与Ａｌ２Ｏ３来代替单层的ＭＣｒＡｌＹ＋ＺｒＯ２，能大大降低导热系数，可望将叶片耐温能力提高２６０℃。

此外，由美国开发的定向气相沉积技术克服了传统电子束物理气相沉积中基体必须面对气相源的问
专题综述

题，通过引入多源气相沉积以及空心阴极等离子激活的方法，可控制涂层的成分及形貌。这就是说，可以通过沉积多层的不同材料而获得致密的晶体涂层，成分及形貌在表面上也可形成梯度变化，最终可将金属原子以薄层沉积在航空涡轮发动机叶片上，进而延长发动机叶片的寿命。

以前我国研制的热障涂层的降温效果仅达到
８０℃，某型涡喷发动机Ⅰ级涡轮叶片的榫齿延伸曾发

生断裂，采用钴铬镍热喷耐磨涂层有效排除了这一故障。某型涡喷发动机Ⅰ级导向器叶片（Ｋ４０３合金）采用的ＺｒＯ２热障涂层曾存在涂层剥落较严重的问题。目前，我国热障涂层使用的最高温度可达１３５０℃。

２．４其他部件
表面喷丸处理可提高零件的抗疲劳性，如对某型

涡扇发动机涡轮机匣、某涡轴系列发动机涡轮盘、涡轮叶片榫齿都进行了表面喷丸处理。对重要齿轮，如在渗碳齿轮表面（啮合面）采用了喷丸强化、

镀银等措施。为了提高传动轴的耐蚀性能和耐磨性能，常对轴进行镀铬、镀镍、镀镉、镀铜等处理。为避免镁合金传动机匣铸件发生接触腐蚀，除对其进行阳极化处理外，也需用涂层作隔离保护。紧固件如螺栓、螺母、卡圈、锁片等也采用镀银、镀铜、镀锌、镀镉等工艺。在工作温度较高的管接件接头螺纹处镀铜，以防止螺纹粘结。
针对目前ＴｉＭＭＣ复合材料存在的纤维断裂以及基体裂纹问题，Ｒ・Ｒ公司与ＤＥＲＡ公司合作开发在

ＳｉＣ纤维增强钛上涂以Ｔｉ涂层的方法来解决纤维的移

位及断裂问题，加强纤维在制造及使用中的稳定性。而据普惠公司的报道，在Ｆ１１９尾喷管处采用了一种具有隐身性的陶瓷涂层，寿命达几千小时。在透明涂层方面，美国已开发出导电涂层及平显线路用透明碳纳米管涂覆液。Ｅｉｋｏｓ公司的专利产品Ｉｎｖｉｓｉｃｏｎ透明导体（纳米丝）是一种产量高、
成本低的薄、柔性及耐久导电涂层技术，将有可能代替铟锡氧化物，用于军机座舱盖的透明导电聚合物涂层。

我国西北工业大学利用液相反应法研制的一种成本低、工艺简单的防氧化涂层，应用于航空高温碳￣碳（Ｃ／Ｃ）复合材料，使其工作温度和持续时间达到国内领先水平（１６００℃时大于１６０ｈ，１６５０℃时大于３０ｈ，１７００℃时大于１０ｈ），而且有良好的抗热振性，受到广泛关注。