高温封严涂层的研究进展.pdf

1 0 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 高温封严涂层的研究进展 王磊1 ，马江虹1 ，史凤岭2 1 ．北京矿冶研究院，北京1 0 0 0 4 4 1 2 ．中国一航沈阳黎明航空发动机 集团 有限责任公司，沈阳1 1 0 0 4 3 摘要在航空发动机中应用封严涂层可有效提高发动机运转效率、提高使用寿命和降低油耗．新一代高 性能航空发动机，要求可耐受更高工作温度的封严涂层材料。本文介绍了高温封严涂层材料的研究进 展。 关键词封严涂层；高温；热喷涂 中图分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S o 0 0 1 0 0 3 R e s e a r c hP r o g r e s s e so fH i g h T e m p e r a t u r eS e a lC o a t i n g W A N GL e i l ，M AJ i a n g h o n 9 1 ，S H IF e n g - l i n g ‘2 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a i 2 ．A v i cIS h e n y a n gL i m i n gA e r o - - E n g i n e G r o u p C o r p o r a t i o nL t d ．。S h e n y a n g1 1 0 0 4 3 。C h i n a A b s t r a c t A p p l i c a t i o no fs e a lc a o t i n gi nt h ea e r o e n g i n ec a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yo ft h e e n g i n e ，e x t e n d e ds e r v i c el i f ea n dr e d u c ef u e lc o n s u m p t i o n ．An e wg e n e r a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c ea e r o e n g i n er e q u e s t so fs e a lc o a t i n gw i t hh i g h e rt e m p e r a t u r et o l e r a n c e ．I nt h i sp a p e r ，r e s e a r c hp r o g r e s s e so f h i g h - - t e m p e r a t u r es e a lc o a t i n gm a t e r i a l sa r ei n t r o d u c e d ． K e y w o r d s S e a lc o a t i n g ；H i g h t e m p e r a t u r e ；T h e r m a ls p r a y 随着航空涡轮发动机向高流量比、高推重比和 高进口温度的方向发展，对高温部件的耐高温能力 也提出了更高的要求。发动机的热端部件需要在较 高的温度下运转，从而提高航空发动机的效率，降低 油耗，提高其推重比。涡轮外环是航空发动机的关 键构件，它的作用是与发动机涡轮叶片形成动密封， 提高燃气的燃烧效率。发动机封严涂层随着热端高 温气流温度的逐级提高，在新一代高性能航空发动 机中，温度从3 0 0 ℃到12 0 0 ℃，最高可达 13 5 0 “ C [ 卜2 1 。 通过研究发现在发动机外部采用气路封严技术 能够很好的提高发动机的工作性能，实验表明，典型 发动机的高压涡轮叶尖间隙若平均减少0 ．2 5 4 m m ，涡轮效率就可提高约1 ％，如果涡轮的径向间 隙增加0 ．1 2 7m m ，单位耗油率就增大约0 ．5 ％[ 3 ] 。 此外，若压气机的运转间隙过大，它的气动特性可能 作者简介王磊 1 9 7 9 - - ，男，河北定H A ．。硕士，工程师． 在发动机加速时遭到破坏，引起喘振，极易发生事 故。因此，应尽量减少转子与静子之间的运转间隙。 但是由于制造困难和部件在工作状态下的结构变 形，若间隙过小，则旋转中的动、静件之间有干涉摩 擦的危险，这不仅会损伤机件，而且对压气机而言， 其钛合金叶片与邻近的钛合金零件形成钛一钛摩擦 有起火的危险。因此希望有一个热稳定性强、摩擦 因数小以及抗氧化性强的封严圈，起到既减少间隙 又缓冲干涉摩擦的作用。如何制造出这种合适的封 严圈成为气路封严技术的研究关键。目前国内外多 采用喷涂的封严涂层来作为封严圈，制备的封严涂 层位于发动机的压气机和涡轮机的机匣上。 1高温可磨耗封严涂层的性能要求 国外对可磨耗封严涂层的研究起步于2 0 世纪 5 0 年代，在6 0 年代末期得到实际应用。目前可磨 万方数据 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 1 1 耗封严涂层大多选用复合材料，由金属相、自润滑非 金属和许多孔隙组成，其制备方法一般采用等离子 喷涂或火焰喷涂。封严涂层具有多孔、疏松的微观 结构，使得其同时具有低热导，较好的可磨耗、抗冲 刷等性能。 早期研制使用的封严涂层材料主要有N i A l 、A l S i 、N i C r A l 、N i c r A l Y 粉料，这几种属于合金涂层 材料，耐温达到6 5 0 ℃，与基体的结合强度很高，但 是可磨耗性很差，在高温下使用时容易发生熔化与 叶片粘着，受热变形导致涂层失效，并且对叶片的磨 损非常大。 随后为了解决这种叶片与涂层粘着以及涂层硬 度过高的问题，通过在涂层中添加软相的方法来改 善涂层性能。软相多为热膨胀系数小，软质的固体 润滑剂如h B N 、石墨、硅藻土、膨润土、聚酯等，其 在基相材料中形成弥散分布，可以用来调节涂层的 硬度，用来改善涂层与叶片之间的润滑性，减小叶片 的磨损性能，提高涂层的可磨耗性能，防止涂层与叶 片的粘着。这种涂层如N i 一石墨、A l S i 一聚酯、 N i C r A l 一氮化硼等，具有一定的孔隙率，在耐热性 和抗热震性能方面都要优于以前使用的合金涂层， 耐温最高达到8 0 0 ℃，但是这种涂层的结合强度和 耐气流冲蚀性并不理想。 随着发动机的发展，压气机工作温度已经达到 10 0 0 ℃以上，以往的涂层大多使用温度低于8 5 0 ℃， 显然达不到新型发动机的使用要求，因此非常需要 探索新的可耐受更高工作温度的封严涂层材料，以 及与之相适应的涂层制备方法。高温封严涂层的工 作条件非常恶劣，涂层性能要求极为严格，必须具有 下述几种性能要求H ] 1 高温稳定性封严材料所处的位置温度较 高，要求涂层在能承受高温，在高温作用下不发生相 变分解，不会失效； 2 可磨耗性转子叶片的叶尖和封严材料相互 作用时，封严材料本身被磨损和刮削，可在不损伤叶 片的前提下，获得发动机实际工作状态下的最小间 隙。高温封严涂层要求超过3 0 0m ／s 线速度叶片尖 部刮削而不发生剥落； 3 结合强度和抗热震性结合强度是指涂层与 机匣基体之间粘结的牢固程度，足够的结合强度能 保证涂层不从机匣上剥离，抗热震性是当温度急剧 变化时涂层不开裂、不剥层和不剥落的能力； 4 抗冲蚀性飞机在飞行时，进入发动机的高 速气流会对封严材料产生强烈的冲刷作用。空气中 的固体粒子，尤其是在沙漠地带空气中的硬质砂粒 会加剧这种冲刷作用，使封严材料产生冲蚀磨损。 过量的冲蚀磨损会降低封严材料的封严效果，从而 降低发动机的效率。高温封严涂层要求能承受2 ～ 3 倍音速的高温气流冲刷烧蚀。 具有上述几种性能的封严涂层才能够起到很好 的气路封严的效果，很大程度的提高飞机发动机的 工作效率，延长寿命。 2 高温封严涂层的研究进展 欧美等发达国家已对高温可磨耗封严涂层进行 了多年的研究，研制开发了多种高温可磨耗封严涂 层，有些产品已经得到实际应用。 G E 公司研制了一种高温封严涂层[ 5 ] ，其成分 包括金属间化合物比如p N i A 和适量聚酯，使用 等离子喷涂方法制备。p N i A l 是一种金属间化合 物，约含有3 0 ％的A l ，其熔点超过16 0 0 ℃，在超过 8 5 0 ℃的高温下具有优异的可磨耗性能，在9 0 0 ℃条 件下能长时间不氧化失效。有机物聚酯作为填充材 料，其在高温下烧蚀后形成微孔细小密布的涂层，增 加了涂层的孔隙率，降低涂层的硬度，减少了叶片的 磨损，提高了涂层体系的抗气流冲蚀性能和抗热震 性能。可以通过改变B N i A l 与聚酯的配比，制备 出不同空隙率和硬度的封严涂层，以满足不同的使 用要求。该种涂层使用温度超过9 0 0 ℃，使用寿命 可达到2 40 0 0h 。 苏尔寿一美科公司研制了一种高温封严涂 层[ 6 ] ，其成分是在C o N i C r A l Y 粉末中添加适量聚酯 和固体润滑剂h B N ，使用等离子喷涂方法制备。 C o N i C r A l Y 粉末属于钴基超高温合金，能耐 10 0 0 ℃高温，耐腐蚀和气蚀及抗氧化性能优良。聚 酯的加入，可以增加涂层的孔隙率，降低涂层的硬 度．h B N 的加入改善了涂层与叶片之间的润滑 性，减小叶片的磨损性能，提高了可磨耗性能。该种 涂层最高使用温度可达8 5 0 ℃，已成功得到实际应 用。 氧化钇部分稳定的氧化锆 Y S Z 是一种理想的 耐高温材料，具有熔点高、热导率很低、热稳定性好、 高温蠕变小、热膨胀系数与金属接近的特点。直接 喷涂Y S Z 获得的致密陶瓷涂层。不能满足硬度及可 磨耗性能的要求。因此在Y S Z 中添加聚酯，并通过 等离子喷涂方法制备的封严涂层，由于聚酯的烧损， 可以得到多孔的氧化锆封严涂层。通过改变成分配 比来调节涂层的空隙率，可以获得合适的硬度和可 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 磨耗性能。氧化钇部分稳定的氧化锆制备的封严涂 层使用温度嶷达13 5 0 ℃，德是该种涂层存在着应力 不匹配鳃闽趣，撬剥落牲麓较差。霹前正在磷裁等 离子喷涂的Y S Z 基具有梯度结构的封严涂层，这种 梯度结构能减小陶瓷与金属间由热膨胀产嫩的不匹 配应变，改营了抗剥落性。 重志对高湛封严涂屡的疆究也取得一些进晨， 武汉理工大学程旭东等人口3 采用氧化钇部分稳定的 氧化锆粉末为基相材料，添加一定量的h B N 、聚 合物作为填充材料，进行喷雾造粒制成喷涂用团聚 球形续米氧他锆基复合粉，采用等离子喷涂王艺铡 得封严涂屡。该涂屡具有较婷的硬度与结合强度， 并且涂层在12 0 0 ℃的环境中的硬度变化和结合强 度有较强的稳定性。并且涂层表现出良好的抗热震 性能。 。 l 艺京航空靛天大学郭洪波等人疆3 发醒了一种糕 备B a L n 2 T i 3 x 0 1 0 ， L n P r ，L a ，N d 或S m ，x 0 ．1 ～1 ，y 0 ．1 ～2 高温封严涂层的方法。该种涂层选 择层状钙钛矿结构的陶瓷粉末，比如B a L a 2 T i 。O ，。、 B a L a z T i { O 叭B a P r 2 T i 3 0 i e 、融S m 2 T i 3 1 5O l l 等，进行 喷雾造粒获得粒度合适的粉宋，采用大气等离子囔 涂制得涂层。该种封严涂层保持了层状钙钛矿结 构，具有低硬度，低热导率档材料特性，同时涂层具 有多孔琉松的结构，与基体W 以形成优异的界面结 合，该种封严涂矮霞震温度霹达l5 0 0 ℃。 3结论 高温封严涂层是航空发动机发展的必然要求， 曩翦鳃研究已经获褥了穰夭进展，国终有郝分产晶 已获得了实际的应用。但是大部分高温封严涂层并 来成熟，仍处于研究酚段，其性能、可靠性、安全性都 还嚣簧更多的研究鸯实践验证。笼其是国蠹的离溅 封严涂层研究，仍处在预研阶段。但在随着航空发 动机技术的发展，高温封严涂层将获得更为广泛的 应用。 参考文靛 [ 1 ] S c h m i dK 。R a n g a s w a m yS ．A b r a d a b l es e a lc o a t i n g sf r o m a m b i e n tt o13 5 0 “ C [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so fX T S C 9 5 [ C ] ． K o b e ，1 9 9 5 1 0 2 3 1 0 2 6 ， [ 翻王薇，张蘧。发动橇封严涂层粒磁究逡篪整] 。靛空辎遗 王程，1 9 9 6 1 1 3 4 ． [ 3 3 赖师墨．控制航象发动机运转间隙的热喷涂可磨耗封严 涂层口] - 等离子加工技术，1 9 9 5 S I 5 3 5 5 ． [ 】N o v i n s k iER ．T h ed e s i g nt h e r m a ls p r a ya b r a d a b l es e a l c o a t i n g sf o rg a st u r b i n ee n g i n e s [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so f 4 t hn a t i o n a lt h e r m a ls p r a yc o n f e r e n c e [ C ] ．U S A 。1 9 9 1 4 5 1 - - 4 5 4 ． C 5 ] C h u p pRE ，G h a s r i p o o rF ，T u r n q u i s tN o r m a nA ．A d v a n c e ds e a l sf o ri n d u s t r i a lt u r b i n ea p p l i c a t i o n s d y n a m i c s e a ld e v e l o p m e n t 秘] 。J o u r n a lo fp r o p u l s i o na n dp o w e r ， 2 0 0 2 1 8 1 2 6 0 1 2 6 6 ． [ 6 ] S u l z e rM e t e o ．T h e r m a ls p r a ym a t e r i a l sg u i d e [ M ] ． 2 0 0 6 A P 一3 ． [ 】糕恕东，裹惠宝，颡爹簪，等．一释续米氧诧赣基霹褰裁 封严复合涂层糖精及其裁务方法中霞专程， 2 0 0 6 1 0 1 2 4 4 3 2 ．9 [ P ] ．2 0 0 6 一0 9 一0 1 ． [ 8 3 郭洪波，马国辉，宫声凯，等．超高温B a L n 2 T i ， ；0 卅Y 封严涂层材料及篡铡备方法中嚣专剃，2 0 0 7 1 0 1 2 0 6 1 6 ．2 【p 】。2 0 0 8 一0 3 一1 2 。 万方数据