航空發(fā)動機(jī)的表面涂層技術(shù)

ＳｕｒｆａｃｅＣｏａｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅ
總參謀部陸航部株洲地區(qū)軍事代表室

［摘要］結(jié)合實際應(yīng)用，對發(fā)動機(jī)上各主要部件所使用的涂層及其工藝與性能特點進(jìn)行了描述，并介紹了目前航空發(fā)動機(jī)涂層技術(shù)的分類和使用情況。
關(guān)鍵詞：表面涂層

涂覆工藝

航空發(fā)動機(jī)
［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ｗｉｔｈｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅａｃｔｕａｌａｐｐｌｉ￣

ｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｓｉｎｔｈｅｍａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｄｅ￣ｓｃｒｉｂｅｄ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｕｓａｇｅｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｕｓｅｄｉｎａｅｒｏｅｎｇｉｎｅｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓａｒｅｉｎｔｒｏ￣ｄｕｃｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｕｒｆａｃｅｃｏａｔｉｎｇＣｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ａｅｒｏｅｎｇｉｎｅ

隨著航空發(fā)動機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展和性能不斷提高，其工作溫度也逐步升高，目前先進(jìn)發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)出口溫度已達(dá)到６５０℃，燃燒室及加力燃燒室的工作溫度接近２０００℃，渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到１６５０～１７５０℃。但這些部位的零件所用的基體材料的性能和所能承受的溫度有限，不可能完全滿足要求，為了提高其壽命、可靠性和抗疲勞等性能，使用各種涂層是一種有效方法。

１航空發(fā)動機(jī)使用的涂層分類
（１）保護(hù)涂層。

抗磨、耐沖擊等保護(hù)涂層可對管路、附件、葉片、機(jī)匣、帽罩等發(fā)動機(jī)構(gòu)件起到改善工作條件、提高可靠性和延長使用壽命的作用。如為提高冠狀渦輪工作葉片葉冠接觸面的耐磨性，可在葉冠接觸面上噴涂ＣｏＣｒＷ或ＣｏＣｒＭｏ硬質(zhì)合金等耐磨材料。

（２）封嚴(yán)與密封涂層。為限制轉(zhuǎn)子、
靜子之間的間隙，不使氣流泄漏，在靜子、

轉(zhuǎn)子葉片或封嚴(yán)蓖齒上涂覆軟、硬涂層，用磨損涂層的方法來保持封嚴(yán)。

（３）橡膠涂層。
航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片在工作中處于高離心負(fù)荷狀態(tài)，在振動作用下最容易被破壞，所以葉片的減振非常重要。葉片振動的形式包括強(qiáng)迫振動、顫振、旋轉(zhuǎn)失速和隨機(jī)振動。為保證發(fā)動機(jī)安全工作，壓氣機(jī)葉片振動不能過大，為此，除了在葉片設(shè)計上采取加凸尖、減振環(huán)、阻尼塊、帶冠葉片、寬弦葉片、加強(qiáng)

肋、削尖等減振措施外，有的國外發(fā)動機(jī)正采用橡膠涂層，即將橡膠涂層涂于壓氣機(jī)葉片燕尾槽底部，然后將葉片裝入壓氣盤的燕尾槽內(nèi)。橡膠涂層屬于高彈性分子材料，振動時可吸收能量，有明顯的阻尼作用，其密封性好，使用壽命長，且容易更換，便于維護(hù)。

（４）熱障涂層�，F(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度高達(dá)１６５０～１７５０℃，但第三代單晶材料只能承受１１００℃的溫度；用復(fù)雜的氣冷方式，冷效也只有
４００℃左右，還有１００～２００℃的差距，只能靠發(fā)展熱涂層

技術(shù)來解決這一問題。熱障涂層在燃燒室中的應(yīng)用已有３０多年歷史，近年來，熱障涂層已成為渦輪葉片設(shè)計和維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，如在ＣＦＭ￣５６Ａ、Ｆ４１４、ＪＴ９Ｄ、

ＰＷ２０００、ＰＷ４０００等涂層發(fā)動機(jī)的工作葉片和導(dǎo)向葉
片上就應(yīng)用了ＴＢＣ、ＰＷＡ２６５、ＰＷＡ２６６、ＰＷＡ２６４等涂層材料。大量試驗證明，熱障涂層熱變形小、耐蝕、耐磨、密封性好，最高可將葉片工作溫度提高１５６℃，用在發(fā)動機(jī)高溫部件上可提高發(fā)動機(jī)效率和延長發(fā)動機(jī)使用壽命。美國普惠公司在ＪＴ３Ｄ和ＪＴ３８Ｄ發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)葉片、燃燒室、渦輪葉片等處采用了熱障涂層，目前，熱障涂層已發(fā)展到了第３代。英國Ｒ・

Ｒ公司的Ｓｐｅｙ發(fā)動機(jī)有２００多個零件使用了熱障涂層，尤其是在第１～３級渦輪葉片的葉冠上均使用了熱障

涂層，從而改善了葉片的可靠性，提高了發(fā)動機(jī)功率。
２

發(fā)動機(jī)主要部件所使用的涂層及工藝

２．１
壓氣機(jī)葉片

目前，壓氣機(jī)葉片廣泛采用的防護(hù)工藝有４種：（１）ＷＺＬ涂層。ＷＺＬ涂層與美國的Ｓｅｒｍｅｔｅｌ￣ｗ涂

層屬于同一類型的中溫防護(hù)涂層，能有效解決鋼葉片在６００℃以下各種復(fù)雜環(huán)境中的腐蝕問題。ＷＺＬ涂層分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類，其中Ⅰ類為不導(dǎo)電涂層，Ⅱ、Ⅲ、
Ⅳ類為導(dǎo)電涂層，也就是通常所說的犧牲性陽極防護(hù)涂層，對鋼葉片具有優(yōu)越的電化學(xué)腐蝕防護(hù)能力。ＷＺＬ

系列涂層的缺點是比較松軟，抗氣流沖刷能力差。

ＷＺＬ￣８是一種由復(fù)合鹽組成的涂料，具有良好的
滲透性和結(jié)合力，形成涂層后，可改善涂層粗糙度，具

２００７年第６期・航空制造技術(shù)９３

專題綜述
有更高強(qiáng)度和硬度，抗氣流沖刷能力明顯提高。因此，在１Ｃｒ１１Ｎｉ２Ｗ２ＭｏＶ壓氣機(jī)葉片上采用ＷＺＬ底層＋

ＷＺＬ￣８封閉面層形成的復(fù)合涂層是一種較理想方法。

（２）Ｎｉ￣Ｃｄ擴(kuò)散鍍層。Ｎｉ￣Ｃｄ鍍層是在葉片上先鍍上８～１２μｍ厚的Ｎｉ層（作為不銹鋼基體的陰極保護(hù)層），再在上面鍍３～５μｍ厚的Ｃｄ層。在３５０℃溫度下進(jìn)行１ｈ擴(kuò)散處理，形成Ｎｉ￣Ｃｄ合金層和γ￣Ｃｄ４Ｎｉ金屬間化合物，該合金對不銹鋼基體來說為陽極合金鍍層，具有犧牲性陽極保護(hù)能力。Ｎｉ￣Ｃｄ擴(kuò)散鍍層對葉片具有很好的防護(hù)作用，能在一定程度上降低葉片振動疲勞。
（３）Ａｌ２Ｓ低溫滲Ａｌ復(fù)合涂層。Ａｌ２Ｓ涂層分兩步進(jìn)行，即先進(jìn)行低溫滲鋁，而后再涂硅酸鹽。滲鋁層為葉片基體提供犧牲性陽極保護(hù)，硅酸鹽涂層為障礙性隔離保護(hù)涂層。從工藝技術(shù)來看，它是由熱處理滲層和表面涂層相結(jié)合的復(fù)合防護(hù)層，具有很高的防腐蝕能力，已在國內(nèi)外得到普遍應(yīng)用。

（４）葉片榫頭防護(hù)涂層。

壓氣機(jī)葉片榫頭的工作條件十分惡劣，不但要承受葉片的離心負(fù)荷，而且還要承受很大的擠壓應(yīng)力、振動應(yīng)力和微振磨損。為了提高葉片榫頭的使用可靠性，目前廣泛采用保護(hù)涂層或鍍層，例如我國某渦噴系列發(fā)動機(jī)的鈦合金轉(zhuǎn)子葉片榫頭采用鍍銀；某渦扇發(fā)動機(jī)的鈦合金風(fēng)扇葉片榫頭采用干膜潤滑劑，鈦合金轉(zhuǎn)子葉片榫頭也采用鍍銀；我國某型渦扇發(fā)動機(jī)的ＧＨ４１６９合金轉(zhuǎn)子葉片榫頭采用噴丸強(qiáng)化，ＴＡ１１鈦合金葉片采用Ｃｕ－Ｎｉ－Ｉｎ等離子噴涂涂層。上述各類涂層對榫頭的主要作用是：防止榫頭接觸面產(chǎn)生微振磨損和微動疲勞，避免榫頭在工作過程中折斷；對葉片起阻尼減振作用；防止榫頭與盤榫槽接觸面粘結(jié)，便于發(fā)動機(jī)分解和維修；增加榫頭與榫槽的接觸面積，減小接觸應(yīng)力，使榫頭受力更均勻。
２．２燃燒室

隨著發(fā)動機(jī)推重比的提高，燃燒室的工作溫度也

在不斷提高。燃燒室表面涂層的目的是提高零件的抗氧化、耐熱、耐磨和密封性能�？刹捎锰沾赏繉�、氧化鋯涂層、耐磨涂層和鎳石墨涂層等。陶瓷涂層是抗氧化涂層，如我國某些渦噴系列發(fā)動機(jī)火焰筒壁內(nèi)外表面、加力燃燒室的火焰穩(wěn)定器、調(diào)節(jié)片和密封片等均涂有陶瓷涂層。氧化鋯涂層是隔熱涂層，如加力燃燒室后部工作溫度高，易產(chǎn)生熱裂紋和燒蝕，改進(jìn)后的渦噴發(fā)動機(jī)在此部位的隔熱屏上噴涂了氧化鋯涂層后，大大減少了此類故障的產(chǎn)生；英國ＲＢ２１１發(fā)動機(jī)燃燒室襯套表面采用了熱噴氧化鋯涂層，防止了因熱變形而產(chǎn)生的
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航空制造技術(shù)・２００７年第６期

裂紋，極大提高了燃燒室使用壽命。Ｃｏ￣Ｃｒ￣Ｗ涂層是耐磨涂層，涂在火焰筒外套后安裝邊掛火焰筒處，提高了零件的使用壽命。還有個別的燃燒室零件采用了表面鍍鉻、鍍鎳、鍍銀、鍍鋅和涂漆或高溫磁漆工藝。
２．３渦輪葉片

渦輪導(dǎo)向器葉片的工作溫度比渦輪葉片更高，目前

國內(nèi)在役的渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)的壽命一般小于１０００ｈ，很難用一種材料同時滿足葉片長期工作所需的高溫蠕變強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕性能，通常通過復(fù)雜合金化來提高基體材料的耐高溫強(qiáng)度，用表面涂層來提高防護(hù)性能。目前，用于航空發(fā)動機(jī)渦輪工作葉片和導(dǎo)向器葉片的涂層工藝主要有四大類：
（１）鋁化物擴(kuò)散涂層。采用化學(xué)熱處理方法，如粉末包埋法、料漿法、氣相法等，使葉片表層獲得富鋁層（Ａｌ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在３０％以上），厚度５～４０μｍ，表面生成

Ａｌ２Ｏ３保護(hù)膜，膜在破裂后有較好的自愈性，能滿足渦

輪葉片的防護(hù)要求，是一種工藝簡單、
費(fèi)用低廉、工藝穩(wěn)定的擴(kuò)散涂層方法。我國各型渦噴發(fā)動機(jī)的８０％的渦輪導(dǎo)向器葉片都采用此法防護(hù)。但由于鋁與基體材料中的鎳形成ＮｉＡｌ金屬間化合物，使?jié)B鋁層變脆，容易崩裂、剝落。研究人員曾發(fā)現(xiàn)工作壽命超過７００ｈ的葉片在滲鋁層與基體界面上會生成有害的針狀σ相，因此，滲鋁層的厚度和使用壽命應(yīng)適當(dāng)控制。

（２）改性鋁化物擴(kuò)散涂層。

為彌補(bǔ)滲鋁層的以上不足，２０世紀(jì)６０年代末改性鋁化物擴(kuò)散涂層被開發(fā)出來，如Ｃｒ￣Ａｌ、Ｓｉ￣Ａｌ、Ｔｉ￣Ａｌ、Ｐｔ￣Ａｌ、Ｐｄ￣Ａｌ、Ｔｉ￣Ｓｉ￣Ａｌ、ＮｉＣｒ￣ＣｒＡｌ等。
其中性能最優(yōu)的是Ｐｔ￣Ａｌ改性擴(kuò)散涂層，同時這種涂層在工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)中也獲得了廣泛應(yīng)用，使燃機(jī)工作壽命可超過５０００ｈ。我國在８０年代引進(jìn)的法國全套專利技術(shù)生產(chǎn)的某型渦軸發(fā)動機(jī)的導(dǎo)向器葉片采用Ｃｒ￣Ａｌ共滲防護(hù)涂層，要求涂層厚度為３０～６０μｍ，實測值為４０～５３μｍ，防護(hù)效果能滿足使用要求。但零件經(jīng)固溶＋滲層后，合金的γ′相粗大（明顯超過法國件），粗大的γ′相對基體的強(qiáng)化效果降低，對室溫拉伸性能造成了影響。

Ｓｉ￣Ａｌ共滲應(yīng)用較廣泛，如我國多種型號的發(fā)動機(jī)葉片均采用Ｓｉ￣Ａｌ共滲涂層。用該工藝獲得的涂層性

能穩(wěn)定，能滿足使用要求，但涂層塑性較差，所以厚度不宜太大，實際控制在３０μｍ左右。ＮｉＣｒ￣ＣｒＡｌ共滲在俄羅斯ＡЛ￣３１Φ發(fā)動機(jī)上被應(yīng)用，但工藝比較復(fù)雜。
（３）包覆涂層。包覆涂層是先進(jìn)的高溫防護(hù)涂層，其典型的成分為ＭＣｒＡｌＹ（Ｍ＝Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ），其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

為Ｃｒ（２０～４０）％、Ａｌ（５～１２）％、Ｙ（或其他活性元素Ｔａ、

Ｈｆ等）小于０．５％。包覆涂層的特點是成分兼顧了抗氧
化腐蝕性和塑性，因為它的塑性比擴(kuò)散涂層好，故厚度允許大些，通常為１００μｍ左右。

目前制備ＭＣｒＡｌＹ包覆涂層的工藝方法有物理氣相沉積（電子束物理氣相沉積、磁控濺射、真空電弧離子鍍）和等離子噴涂（低壓等離子噴涂、氬屏蔽等離子噴涂）。某型渦噴發(fā)動機(jī)ＩＣ６合金Ⅱ級導(dǎo)向器葉片采用磁控濺射和真空電弧離子鍍工藝制備ＮｉＣｒＡｌＹＳｉ和

ＮｉＣｏＣｒＡｌＹ包覆涂層，其中真空電弧離子鍍ＮｉＣｏ￣
ＣｒＡｌＹ涂層已投入批量生產(chǎn)。

某型渦噴發(fā)動機(jī)ＤＺ２２合金渦輪工作葉片采用的磁控濺射ＮｉＣｒＡｌＹ涂層，某型渦軸發(fā)動機(jī)Ⅰ級渦輪工作葉片采用的低壓等離子噴涂

ＮｉＣｏＣｒＡｌＹＴａ六元素涂層都取得了良好的效果。目前，ＭＣｒＡｌＹ涂層存在的主要問題是涂層有局部剝落現(xiàn)象，
涂層厚度不均勻和粗糙度不夠理想等。

（４）熱障涂層。熱障涂層是復(fù)合性涂層，其結(jié)構(gòu)在各種涂層中最為復(fù)雜，用ＭＣｒＡｌＹ作為底層，再在其上噴涂用Ａｌ２Ｏ３或ＭｇＯ穩(wěn)定化的ＺｒＯ２作面層。有資料報道，涂覆０．１２７ｍｍ隔熱涂層后，葉片金屬溫度降低

１８９℃，冷卻氣流減少５０％。由于該涂層的陶瓷材料較
脆，目前只能用在導(dǎo)向器葉片上。

其噴涂工藝主要有等離子噴涂及電子束氣相沉積兩種方法，兩者各有優(yōu)勢。電子束氣相可形成柱狀組織，但導(dǎo)熱系數(shù)較高；等離子噴涂的導(dǎo)熱系數(shù)較低，但易剝落，因此熱障涂層的廣泛應(yīng)用受到限制。解決熱噴涂工藝存在問題的一種途徑是采用微疊層熱障涂層，用的是溶膠￣凝膠法，將氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯層（ＹＳＺ）與ＺｒＳｉＯ４層交替涂覆形成微疊層復(fù)合材料以代替較早的熱障涂層。該技術(shù)依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強(qiáng)度和蠕變抗力，利用高溫金屬作韌化元素，從而很好地克服了金屬間化合物的脆性。目前，采用真空熱壓箔、物理氣相沉積、鑄造和固態(tài)反應(yīng)等方法已研制出幾種微米層次的微疊層復(fù)合材料，包括Ｎｂ￣Ｃｒ２Ｎｂ、Ｎｂ￣Ｎｂ５Ｓｉ３以及Ｎｂ￣ＭｏＳｉ２等。

除用于葉片外，微疊層復(fù)合材料在無疲勞合金涂層、抗砂蝕樹脂基復(fù)合材料風(fēng)扇葉片涂層等方面也有應(yīng)用。另一種途徑是采用納米
ＴＢＣ，即用多層彼此交替的納米氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯

層（ＹＳＺ）與Ａｌ２Ｏ３來代替單層的ＭＣｒＡｌＹ＋ＺｒＯ２，能大大降低導(dǎo)熱系數(shù)，可望將葉片耐溫能力提高２６０℃。

此外，由美國開發(fā)的定向氣相沉積技術(shù)克服了傳統(tǒng)電子束物理氣相沉積中基體必須面對氣相源的問
專題綜述

題，通過引入多源氣相沉積以及空心陰極等離子激活的方法，可控制涂層的成分及形貌。這就是說，可以通過沉積多層的不同材料而獲得致密的晶體涂層，成分及形貌在表面上也可形成梯度變化，最終可將金屬原子以薄層沉積在航空渦輪發(fā)動機(jī)葉片上，進(jìn)而延長發(fā)動機(jī)葉片的壽命。

以前我國研制的熱障涂層的降溫效果僅達(dá)到
８０℃，某型渦噴發(fā)動機(jī)Ⅰ級渦輪葉片的榫齒延伸曾發(fā)

生斷裂，采用鈷鉻鎳熱噴耐磨涂層有效排除了這一故障。某型渦噴發(fā)動機(jī)Ⅰ級導(dǎo)向器葉片（Ｋ４０３合金）采用的ＺｒＯ２熱障涂層曾存在涂層剝落較嚴(yán)重的問題。目前，我國熱障涂層使用的最高溫度可達(dá)１３５０℃。

２．４其他部件
表面噴丸處理可提高零件的抗疲勞性，如對某型

渦扇發(fā)動機(jī)渦輪機(jī)匣、某渦軸系列發(fā)動機(jī)渦輪盤、渦輪葉片榫齒都進(jìn)行了表面噴丸處理。對重要齒輪，如在滲碳齒輪表面（嚙合面）采用了噴丸強(qiáng)化、

鍍銀等措施。為了提高傳動軸的耐蝕性能和耐磨性能，常對軸進(jìn)行鍍鉻、鍍鎳、鍍鎘、鍍銅等處理。為避免鎂合金傳動機(jī)匣鑄件發(fā)生接觸腐蝕，除對其進(jìn)行陽極化處理外，也需用涂層作隔離保護(hù)。緊固件如螺栓、螺母、卡圈、鎖片等也采用鍍銀、鍍銅、鍍鋅、鍍鎘等工藝。在工作溫度較高的管接件接頭螺紋處鍍銅，以防止螺紋粘結(jié)。
針對目前ＴｉＭＭＣ復(fù)合材料存在的纖維斷裂以及基體裂紋問題，Ｒ・Ｒ公司與ＤＥＲＡ公司合作開發(fā)在

ＳｉＣ纖維增強(qiáng)鈦上涂以Ｔｉ涂層的方法來解決纖維的移

位及斷裂問題，加強(qiáng)纖維在制造及使用中的穩(wěn)定性。而據(jù)普惠公司的報道，在Ｆ１１９尾噴管處采用了一種具有隱身性的陶瓷涂層，壽命達(dá)幾千小時。在透明涂層方面，美國已開發(fā)出導(dǎo)電涂層及平顯線路用透明碳納米管涂覆液。Ｅｉｋｏｓ公司的專利產(chǎn)品Ｉｎｖｉｓｉｃｏｎ透明導(dǎo)體（納米絲）是一種產(chǎn)量高、
成本低的薄、柔性及耐久導(dǎo)電涂層技術(shù)，將有可能代替銦錫氧化物，用于軍機(jī)座艙蓋的透明導(dǎo)電聚合物涂層。

我國西北工業(yè)大學(xué)利用液相反應(yīng)法研制的一種成本低、工藝簡單的防氧化涂層，應(yīng)用于航空高溫碳￣碳（Ｃ／Ｃ）復(fù)合材料，使其工作溫度和持續(xù)時間達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平（１６００℃時大于１６０ｈ，１６５０℃時大于３０ｈ，１７００℃時大于１０ｈ），而且有良好的抗熱振性，受到廣泛關(guān)注。