热喷涂技术在航空发动机制造中的应用与发展

    热喷涂的基本原理是用特种热源（燃烧火焰、电弧、等离子焰流、激光等）或一定温度的高温、高压、高速气体（冷气动力喷涂）将涂层材料熔化或半熔化，或将固态粒子加速至数倍声速，高速度喷射并牢固粘结在零件基体表面，形成设定组织性能的连续涂层。

    燃烧火焰喷涂，可以喷涂塑料、金属、合金、氧化铝陶瓷等多种粉末和丝材，现代飞机树脂基复合材料部件表面防静电抗雷击涂层即为火焰喷涂铝涂层。

    电弧喷涂，热效率高、生产率高、喷涂成本低，广泛用于钢铁结构表面锌、铝及锌铝合金防腐涂层，对钢铁结构进行长效防护。在大型锅炉内壁喷涂耐高温、耐腐蚀材料，可减少维护、延长使用寿命。

    等离子喷涂，是热喷涂技术中最重要的一种，几乎可以喷涂从低熔点塑料到高熔点金属钨、钼、钽、氮化物及碳化物金属陶瓷、氧化物陶瓷等任何材料，用途极其广泛。

    上世纪80年代超声速火焰喷涂（HVOF）从美国推出，90年代开始广泛应用，目前已是WC-Co、WC-CoCr类涂层的最佳制备工艺方法，广泛应用于飞机起落架及直升机旋叶轴等关键部件耐磨涂层的制备，已经大范围取代飞机起落架电镀硬铬工艺，在避免了由电镀硬铬造成的六价铬污染和部件氢脆的同时，还大幅度提高了部件耐磨性能。

    热喷涂技术在航空发动机上的应用

    由于热喷涂材料来源广泛、制备工艺稳定、涂层成分结构可设计性强、涂层质量可控、可制备多种功能及防护涂层，并可自动化生产，使热喷涂技术在航空制造技术领域获得了广泛的应用。航空发动机及飞机的关键零部件——压气机叶片榫头、机匣、封严篦齿、燃烧室、涡轮叶片、导向叶片、轴颈、轴承座、封严环、喷管等数以千计的零件需进行热喷涂制备涂层（见图1），涂层的应用是航空发动机可靠性及服役寿命大幅度提高。

    高温可磨耗封严涂层等离子喷涂技术    

    高温可磨耗封严涂层作为发动机部件的重要涂层之一，用来调控高压涡轮转子部件与机匣之间的间隙，对保持发动机的效率十分关键。中航工业制造所高能束流加工技术重点实验室研制开发的添加陶瓷减摩自润滑材料及聚苯酯的高温可磨耗封严涂层，涂层摩擦系数低，可磨耗性能优异，同时抗高温氧化性能及燃气冲刷性能优良。高温可磨耗封严涂层厚度一般超过1.5mm，必须采用机器人自动等离子喷涂技术，喷涂参数计算机闭环控制、涂层厚度在线监测，这样有利于涂层组织结构及厚度均匀，稳定涂层冶金质量。

    热障涂层等离子喷涂技术    

    热障涂层广泛用于航空发动机及地面燃气轮机，保护发动机高温部件，如燃烧室、涡轮叶片、火焰喷管等（见图2），可大幅度提高部件寿命、提高发动机效率、降低部件温度或提高燃气温度。

    热障涂层的制备方法主要有等离子喷涂法和电子束物理气相沉积法。热冲击寿命和热导率为热障涂层的两个关键技术指标。没有优异的抗热冲击性能，热障涂层就不能在可靠性要求极高的航空发动机上获得成功应用。把涂层寿命做到数千、数万小时是热喷涂涂层成功应用于商用飞机发动机的关键所在。

    由于氧化钇稳定氧化锆在1200℃以上工作、在随后的冷却过程中相变，相变过程中材料体积将膨胀约4%，这种体积效应使涂层产生裂纹甚至剥落。国内外学者对两种或两种以上稀土氧化物复合稳定氧化锆的多元体系进行了较多研究，取得了明显进展，美国科学家开发的氧化钆、氧化镱、氧化钇三元稀土复合稳定氧化锆工作温度可达1500℃，并已商品化。

    制造所高能束流加工技术重点实验室研制开发的多元稀土氧化物复合稳定氧化锆超高温热障涂层，隔热性能及抗热冲击性能优异，1500℃长期工作、在随后的冷却过程中也没有有害的相变发生，使用温度达到国际先进水平。

    热喷涂技术发展趋势   

    热喷涂技术经过100余年的发展，技术日益成熟，用途涉及航空航天、工业燃气轮机、汽车、电力、燃料电池与太阳能、医疗卫生、造纸与印刷等诸多领域。

    要实现航空发动机在高推重比和高效能上的重大突破，就必须提高发动机中燃气温度，这必然造成高压涡轮热端部件表面温度的大幅度提高。碳化物、氮化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代镍基高温合金作为在更高温度下工作的发动机高温结构材料，制约其应用的重要因素是其在发动机高温燃气环境中的材料组织结构稳定性不足，碳化物、氮化物陶瓷能够和水蒸汽等反应生成挥发性的产物造成陶瓷材料结构及性能严重退化。在陶瓷表面采用气相沉积与等离子喷涂复合技术制备环境障涂层，可以有效阻止高温燃气气氛和陶瓷基体的接触，提高陶瓷基体的结构稳定性。

    在某些重要应用领域需要高的涂层结合强度，甚至需要涂层与零件基体间冶金结合。为克服热喷涂涂层界面机械结合的不足，激光等离子复合喷涂技术应运而生（见图3）。激光等离子复合喷涂涂层界面为冶金结合，涂层结构致密均匀，可用于发动机刷式封严跑道的制造。目前要解决的主要问题：一是控制热输入，避免涂层成分过度稀释及材料组分的分解；二是降低应力，避免涂层中出现裂纹。

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