航空發(fā)動(dòng)機(jī)到底用到了多少種涂層？
涂層技術(shù)(Coating Technology)在當(dāng)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)中已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，主要用來延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的使用壽命，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，國(guó)內(nèi)對(duì)涂層技術(shù)是存在質(zhì)疑的。一方面是對(duì)涂層的功能性吃不透，設(shè)計(jì)有偏差；另一方面，涂層的關(guān)鍵性能不達(dá)標(biāo)，起不到功能性作用。因此，涂層通常被戲稱為“一件可穿可不穿的衣服”(還不如裸奔來的實(shí)在)。
然而，歐美無論是軍用還是民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)輒幾千小時(shí)、甚至上萬小時(shí)的首次翻修壽命已經(jīng)告訴我們，涂層在這之中發(fā)揮了不可取代的作用。那么，就讓我們來看看航空發(fā)動(dòng)機(jī)到底用到了哪些涂層吧~
最“脆弱”的涂層——易磨涂層
易磨涂層(Abradable Coating)，是發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖封嚴(yán)系統(tǒng)的一部分，也叫“封嚴(yán)涂層”。通常應(yīng)用于機(jī)匣零件中的跑道面，主要作用是減少葉尖碰磨損傷。由于易磨涂層需要跟葉尖進(jìn)行對(duì)磨，為了保護(hù)葉尖，易磨涂層一般硬度小，結(jié)合力差，從而能夠保證葉尖在大服役狀態(tài)碰上時(shí)，能夠有效地刮削涂層。
最“堅(jiān)硬”的涂層——耐磨涂層
既然有“玻璃心”涂層，那肯定也有“勇敢的心”——耐磨涂層(Wear Resistant Coating)，主要應(yīng)用于需要防止摩擦磨損以及沖擊磨損的發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，例如軸類零件、W封嚴(yán)環(huán)以及低渦葉片緣板的配合面。當(dāng)然，在蜂窩封嚴(yán)系統(tǒng)中，也存在著耐磨涂層，用來防止篦齒的齒尖發(fā)生磨損。還有一種耐磨涂層，多用于軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片，用來面對(duì)惡劣環(huán)境下的抗沖蝕磨損。
耐磨涂層的材料種類也是多種多樣的，軸類零件多采用WC-Co涂層，封嚴(yán)環(huán)以及緣板配合面采用CoMoCrSi涂層，篦齒采用Al2O3-SiO2涂層，而抗沖蝕多采用TiN涂層。工藝上，TiN涂層采用物理氣相沉積(PVD)工藝，其他耐磨涂層多采用等離子或者超音速噴涂工藝。當(dāng)然，對(duì)于CoMoCrSi涂層現(xiàn)階段多采用堆焊工藝。
最“耐熱”的涂層——熱障涂層
熱障涂層(Thermal Barrier Coating)大概是近十年來研究最火熱的航發(fā)涂層種類了，應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端零部件，主要面向燃燒室以及高壓渦輪。其作用就是降低零件表面溫度，從而使零件維持高溫下應(yīng)有的力學(xué)性能。熱障涂層由粘結(jié)層和面層構(gòu)成，粘結(jié)層的作用主要是防止零件基體氧化和腐蝕，而面層的主要作用在于提供隔熱效果。因此，在低壓渦輪葉片上，粘結(jié)層也可以單獨(dú)使用，從而只提供抗氧化腐蝕性能。
粘結(jié)層有熱噴涂類的MCrAlX以及擴(kuò)散類的NiAl/NiPtAl類型，而面層現(xiàn)如今依舊多采用8YSZ(8%Y2O3 stabilised ZrO2)材料，工藝針對(duì)不同零件分為等離子噴涂和電子束物理氣相沉積。
隨著陶瓷復(fù)合材料(CMC)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到越來越多的應(yīng)用，環(huán)境障涂層(Environmental Barrier Coating，EBC)將會(huì)取代一部分熱障涂層，成為另一種在熱端部件使用的高端涂層技術(shù)。
最“抗冷”的涂層——防冰涂層
沒錯(cuò)，發(fā)動(dòng)機(jī)既要耐熱也需要抗冷，畢竟由于結(jié)冰而導(dǎo)致的航空事故也不在少數(shù)。當(dāng)然，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)水平已經(jīng)可以從根本上解決一些發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰的問題，但在一些特殊領(lǐng)域，防冰涂層依舊存在用武之地。
防冰涂層在原理上可分為兩類，一種是Anti-icing Coating，另一種是De-icing Coating。如果強(qiáng)行解釋的話，Anti-icing的功能是防止結(jié)冰(不讓水汽在零件表面凝結(jié))，De-icing的作用則是使結(jié)冰層快速脫落，兩者通過噴涂的方式實(shí)現(xiàn)，主要用在進(jìn)氣錐等發(fā)動(dòng)前端部位，當(dāng)然，更多的在飛機(jī)機(jī)身領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。
最“特殊”的涂層——CBC/RBC
最后，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中還存在著一些特殊的“涂層”，Coke Barrier Coating(CBC，抗結(jié)焦涂層)和Radiation Barrier Coating(RBC，抗輻射涂層)是兩種僅用在燃燒室噴嘴的涂層技術(shù)。
在僅有直徑不到1mm的輸油管路中，采用了抗結(jié)焦涂層，主要作用是防止燃油在高溫下碳化，凝結(jié)在管壁中，最終造成輸油管路堵塞。而抗輻射涂層則存在于噴嘴的干腔中，用來降低由于輻射帶來的溫度升高。無論是CBC還是RBC，其組分多采用貴金屬Pt。但是，要在狹長(zhǎng)的輸油管內(nèi)壁進(jìn)行涂層制備，則是一項(xiàng)比較難以實(shí)現(xiàn)的工藝，咱們國(guó)內(nèi)現(xiàn)今還沒有相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備。
以上，我們只講了后綴為“Coating”的技術(shù)，至于，潤(rùn)滑類涂層(Film Lubricant)、噴漆(Painting)、滲碳滲氮(Carburisation，Nitriding)、陽極化(Anodising)、電鍍(Plating)這些跟涂層或多或少都有點(diǎn)關(guān)系的技術(shù)，咱們以后再聊。