现代航空工业的迅速发展对航空发动机性能提出了越来越高的要求。大推力、高效率、低油耗已成为发动机设计和制造的基本目标。为此, 应尽量提高发动机进口气体温度并减少转子与静子部件之间的间隙。可磨耗封严涂层技术是采用热喷涂的方法在压气机或机匣内表面沉积涂层, 当叶片以3000~10000 r/min速度高速旋转时, 叶尖刮削封严涂层, 在涂层上形成凹槽, 且不损坏叶尖, 这样可在叶尖与机匣之间获得理想的小气流间隙, 从而显著提高发动机效率, 并降低燃油消耗。可磨耗封严涂层由于生产工艺简单、修复和性能调整简易、封严效果好, 同时可以为机匣提供隔热保护, 并减少了高温、高速燃气引起的扰动或喘振等不稳定现象而得到了迅速的发展。
可磨耗封严涂层大多为复合材料, 一般由金属相、非金属相和孔隙组成。其中金属相为基体相, 具有良好的强度、耐腐蚀性及抗氧化性能, 常用金属有镍、钴、铜、铝等及其合金。非金属相提供减磨和自润滑功能, 如石墨、六方氮化硼、聚苯酯及硅藻土等。孔隙可以起到降低涂层硬度的作用。该类涂层的特点是一方面要具有良好的自润滑性能及可磨耗性能, 要求密封对偶件的尖端刮削涂层时的摩擦力较小, 以保证对偶件不被刮伤; 另一方面要具有一定的硬度及良好的抗冲蚀性能, 以抵抗间隙流道中高速气流(气流中通常夹杂一些固体颗粒)的冲蚀磨损。因此对可磨耗封严涂层而言, 其可磨耗性能和抗冲蚀性能是彼此矛盾的。只有从涂层具体的服役环境出发, 在材料结构设计、制备工艺优化及性能评价等方面进行综合系统性的研究分析, 才能找出合适的匹配点以保证涂层既具有良好的可磨耗性, 又有足够的抗冲蚀性能和工作寿命。
尤其值得注意的是, 经常在高湿度、高盐雾苛刻条件下服役的舰载机, 易出现发动机部件腐蚀, 其腐蚀失效是可磨耗封严涂层又一重要的失效形式。在此腐蚀过程中, 由于Ni/石墨涂层内部存在孔隙, 腐蚀介质沿着孔隙通道向内渗透, 逐渐造成涂层内外溶液交换困难, 在涂层表面和内部形成宏观腐蚀电池, 加速了涂层内部金属相的腐蚀[5]。另外, 盐雾中腐蚀性氯离子同样也会造成封严涂层的严重破坏。此外, 涂层中的孔隙及裂纹等结构缺陷为腐蚀介质提供了快速渗透通道, 诱发涂层内部发生缝隙腐蚀或点蚀, 加重了涂层系统的腐蚀破坏, 对飞机的飞行安全造成极大的威胁。
传统等离子喷涂制备封严涂层过程中, 由于等离子射流中原料粉末粒子的飞行速度较低、扁平化效果较弱, 导致涂层结构疏松、孔隙率高、结合强度低。因此必须从涂层制备工艺、结构设计优化等方面开展基础性研究, 从根本上提高封严涂层的耐腐蚀性能。国内新发展的高效能超音速等离子喷涂(High efficiency supersonic plasma spraying)采用以机械压缩为主、气动力压缩为辅的射流加速方案, 通过对高压、高速等离子气体进一步强力压缩和加速, 获得了数倍于音速的超音速等离子体射流, 且射流中粒子的飞行速度可以达到传统等离子喷涂的二倍以上。由于飞行速度的提高, 粒子撞击基体时的动能增大, 能量转换效率高, 熔滴铺展充分, 涂层中孔隙等缺陷含量降低、结合强度大幅度提高。与此同时, 粒子的超音速飞行可以降低其在射流中的驻留时间, 从而有效降低了封严涂层中金属相的氧化及石墨等润滑相的烧损。但到目前为止, 该类喷涂设备还没有大范围用于可磨耗封严涂层的制备。
根据航空发动机内部的工况环境, 在发动机风扇和压气机部分主要采用了中低温可磨耗封严涂层材料, 其中用作金属成分的材料主要有铝硅合金和镍基合金。镍基封严涂层可保证涂层在高温使用环境中的抗冲蚀性和强度, 因而在高压压气机等较高温度部位具有良好的适用性。因此, 本研究采用国产高效能超音速等离子喷涂沉积镍基(包括镍-石墨及镍铬铝-氮化硼)可磨耗封严涂层, 系统对比研究涂层的耐腐蚀及高温摩擦磨损性能, 以提高涂层的综合性能, 为高性能封严涂层的制备提供借鉴。
