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(2017-05-26 13:43:28)
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热喷涂涂层金相制样关键技术自动化制样系统最佳工艺参数 |
航空发动机常用热喷涂涂层金相制样关键技术
------《探索 创新 交流---第六届中国航空学会青年科技论坛文集（上册）》2014年
作者：张佳平、蔡鑫、张艺馨、宋佳、李爽
【摘要】：本文介绍了热喷涂涂层金相样品的制备对涂层显微组织评定的重要影响，阐述了几类热喷涂涂层金相样品制备的关键技术。结果表明，采用自动化制样系统和最佳工艺参数能够得到代表涂层真实结构的金相试样，能够对热喷涂涂层质量进行准确分析和评定。
【作者单位】：中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司技术中心表面所 中国科学院金属研究所
个人体会：较为实用。不过，照片质量太次，稍有真假莫辨之感。
参考资料：
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（2010-09-08 10:51:50）
[2]
2016-06-08 14:19
“皇帝的新装”大家都很熟悉吧，故事中为国王定制的“神奇”外衣材质特殊，色彩美艳，花纹巧妙，款式新潮，最重要的是只有愚蠢的人才看不到这一切。抛开故事的寓意，按照描述，小编觉得这件外衣真真是不错的（如果它存在的话）。
图 1 皇帝的新装
在航空制造领域，有这么一项技术，它可以制造出一件神奇的“外衣”，穿上了它，在设备维修中可以修旧利废，使报废的零部件“起死回生”；也可以在新产品制造中进行强化和预保护，使其“益寿延年”。更重要的是，这些强大的功效只要是个人都能看的到！这项强大的技术就是热喷涂，一起来了解一下吧。
1.什么是热喷涂
热喷涂，是将熔融状态的喷涂材料，通过高速气流使其雾化**在零件表面上，形成喷涂层的一种金属表面加工方法。达到防腐、耐磨、减摩、抗高温、抗氧化、隔热、绝缘、导电、防微波辐射等一系多种功能，同时节约材料和能源。
图 2 热喷涂的过程示意
我们把特殊的工作表面叫“涂层”，把制造涂层的工作方法叫“热喷涂”，它是采用各种热源进行喷涂和喷焊的总称。
2.热喷涂原理
热喷涂包含一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以一种熔化或半熔化状态，沉积到一种经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层，涂层材料可以是粉状、带状、丝状或棒状。
图 3 热喷涂原理
热喷涂枪由燃料气、电弧或等离子弧提供必需的热量，将热喷涂材料加热到塑态或熔融态，再经受压缩空气的加速，使受约束的颗粒束流冲击到基体表面上。冲击到表面的颗粒，因受冲压而变形，形成叠层薄片，粘附在经过制备的基体表面，随之冷却并不断堆积，最终形成一种层状的涂层。该涂层因涂层材料的不同可实现耐高温腐蚀、抗磨损、隔热、抗电磁波等功能。
图 4 热喷涂涂层形成过程
3.热喷涂的优点
基体材料不受限制，可以是金属和非金属，可以在各种基体材料上喷涂；可喷涂的涂层材料极为广泛，热喷涂技术可用来喷涂几乎所有的固体工程材料,如硬质合金、陶瓷、金属、石墨等；喷涂过程中基体材料温升小，不产生应力和变形；操作工艺灵活方便，不受工件形状限制，施工方便；涂层厚度可以从0.01至几毫米；涂层性能多种多样，可以形成耐磨、耐蚀、隔热、抗氧化、绝缘、导电、防辐射等具有各种特殊功能的涂层；适应性强及经济效益好等优点。
图 5 热喷涂良好的表面加工性
图 6 热喷涂与高精度加工
4.热喷涂的分类
1）火焰喷涂
利用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流的推动下形成雾流，**到基体上，**的微小熔融颗粒撞击在基体上时，产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层，这一过程称为火焰喷涂。
图 7 火焰喷涂实景
图 8 火焰喷涂原理
火焰喷涂技术的基本特点是：一般金属、非金属基体均可喷涂，对基体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；涂层材料广泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等；涂层的多孔性组织有储油润滑和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达450HB,喷焊层可达65HRC；火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为200～250℃，整体温度约70℃～80℃，故基体变形小，材料组织不发生变化。
图 9 火焰喷涂涂层具有良好的综合性能
2）电弧喷涂
电弧喷涂是将两根被喷涂的丝或线状导电材料作为自耗性电极，利用它们之间产生的电弧能量熔化电极材料，用高速压缩空气雾化并将其**到基体材料上的一种热喷涂方法。由于以电弧为热源，因此通常只针对金属材料。
图 10 电弧喷涂实景
图 11 电弧喷涂原理
电弧喷涂的基本特点是：由于熔粒温度高、喷涂粒子变形量大，因此获得的涂层与基体材料的结合强度较高，一般是火焰喷涂涂层的1.5-2.5倍；喷涂效率可随电弧电流增大而显著提升，比一般火焰喷涂提高2-6倍；电弧喷涂能量利用率高达57%-67%，而火焰喷涂仅为5%-13%；电弧喷涂与其他方法相比，成本最低，设备简单，操作成本仅为火焰喷涂的10%；另外由于使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，其安全性**提高。
图 12 电弧喷涂获得高致密性涂层
常规状态下原子是呈电中性的，气体也是不导电的；但如果从外界给予气体分子和原子相当的能量时，就会造成电子脱离原子成为自由电荷，此时原子变成带正电荷的离子，即气体的电离现象，利用电离气体进行喷涂即等离子喷涂。
图 13 等离子喷涂实景
图 14 等离子喷涂原理
等离子喷涂是一种新型多用途的精密喷涂方法，具有超高温特性，便于进行高熔点材料的喷涂；同时**粒子的速度高，涂层致密，粘结强度高；另外由于其使用惰性气体作为工作气体，所以涂层材料不易氧化。
图 15 等离子喷涂涂层金相
4）爆炸喷涂
爆炸喷涂是在特殊设计的燃烧室里，将氧气和乙炔气按照一定的比例混合后引爆，使得料粉加热熔融并使颗粒高速撞击在零件表面形成涂层。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞行速度高，动能大，因此具有良好的应用前景。
图 16 爆炸喷涂喷枪
图 17 爆炸喷涂原理
爆炸喷涂的基本特点是：由于粒子的高速性，涂层和基体的结合强度高，涂层致密，气孔率很低，一般小于1%；涂层表面粗糙度低，耐磨性好，硬度较高；另外爆炸过程中碳化物及碳化物基粉末材料不会发生碳分解和脱碳现象，因此涂层组织与粉末成分保持良好一致性；另外由于工件受到爆炸热气流冲击时间短，工件温升可控制在100℃以下，所以不会发生组织相变和工件变形。
图 18 爆炸喷涂高速摄影
5.热喷涂与航空制造
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，涂层的应用是航空发动机可靠性及服役寿命大幅度提高。
图 19 航空发动机大量使用热喷涂技术
图 20 航空发动机热喷涂技术种类一览
图 21 发动机机匣与热喷涂涂层
1）高温可磨耗封严涂层喷涂
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。该种涂层摩擦系数低，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。
图 22 封严涂层结构示意
图 23 封严涂层用于调控机匣与转子间隙
图 24 封严涂层用于发动机整流环
2）热障涂层喷涂技术
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，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。其中，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。
图 25 空心氧化铝球热障涂层微观结构
图 26 涡轮叶片与热障涂层
图 27 航空发动机燃烧室热障涂层验证试验
[3]
摘要：本文总结了国内外航空发动机企业热喷涂专业技术标准的现状，从标准体系建设、技术标准内容及质量控制要求等方面进行了对比分析，指出了我国航空发动机企业热喷涂标准体系建设存在的不足，并对我国热喷涂专业标准的发展提出了参考意见。
[4]
2014-10-23
13:44
核心提示：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。
图3 激光等离子复合喷涂加工头及其制备的涂层表面
图2 等离子喷涂发动机叶片表面热障涂层
图1 涡扇发动机上需进行热喷涂涂层的典型部位
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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