热喷涂技术在航空发动机零部件及其维修中的应用

热喷涂技术在航空发动机零部件及其维修中的应用

吴娜李吉彤张超姜山杨国权李宝特裴越

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：热喷涂技术是表面工程领域的一项重要技术。与其它表面处理技术相比，它具有材料广泛、基材无限制、涂层厚度易于控制等优点。热喷涂涂层的功能多样性是由不同性能的材料决定的。热喷涂材料是热喷涂技术的核心，其发展和进步提高了航空发动机的可靠性和经济性。基于此，本文主要对热喷涂技术在航空发动机零部件及其维修中的应用进行分析探讨。

关键词：热喷涂技术；航空发动机；零部件；维修；应用

前言

随着航空发动机向着大功率、高负荷、高性能方向发展，人们对航空材料提出了越来越高的要求，单纯依靠改变材料性能，已很难满足航空发动机发展的需求，为此各种表面处理技术被运用于航空发动机中，以赋予航空材料耐磨、耐蚀、隔热和耐高温氧化等特殊性能。热喷涂技术以其独特的优势，成为现代航空发动机制造和大修中不可或缺的一项表面处理技术，在国内外获得了广泛应用，取得了显著的经济和社会效益。

2、热喷涂技术在零部件的应用

航空发动机的热喷涂涂层主要包括耐磨涂层、热障涂层和封严涂层等，一台发动机有上千个零部件的3000多处表面需采用热喷涂涂层。航空发动机零件的工作条件恶劣(高温、高转速、振动、高负荷)，又受到粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等不同类型的磨损，降低了发动机性能、缩短了发动机使用寿命。由于受材料性能、经济成本等因素的限制，只能对一些零件进行表面改性以满足耐磨性要求。热喷涂技术因其取材范围广、基体温度较低、变形小、涂层厚度容易控制等优点被广泛用于喷涂航空发动机上的耐磨涂层。航空燃气涡轮发动机都有比较完整的气路封严系统，系统由介于轴、鼓筒、转子叶片叶尖、压气机和涡轮等各级之间的40-60处封严装置组成。封严装置的好坏直接影响发动机的推力和效率。典型发动机高压涡轮叶尖间隙减少0.254mm，涡轮效率就可提高约1%。如果涡轮径向间隙增加0.127mm，耗油率约增大0.5%;如果压气机径向间隙增加0.076mm，单位耗油率约增大1%。

可见气路封严是提高效率和性能的重要途径之一。此外，压气机的运转间隙过大，它的气动特性可能在发动机加速时遭到破坏，并引起喘振。因此，为提高发动机运转效率、使用寿命和降低油耗，应尽量减少转子与静子之间的运转间隙。如果间隙过小，则旋转中的动、静件之间有干涉摩擦的危险，这不仅会损害机件，而且对一些钦合金部件而言，其钦合金零件与邻近的钦合金零件形成钦一钦摩擦而有起火的危险。因此希望有一个既能减少间隙又能缓冲干涉摩擦的封严圈，热喷涂涂层以其优点，成为封严圈制造的最理想选择。

用于间隙控制的热喷涂封严涂层分为两大类，即主动磨削涂层和可磨耗涂层。某型发动机前机匣内环喷涂铝硅/聚醋涂层，后整流机匣封严环喷涂镍/氮化硼涂层。某发动机压气机一、二、三级机匣喷涂镍/石墨涂层，高压涡轮外环喷涂镍钻铬铝忆涂层。英国罗·罗公司RB211-535C发动机高压涡轮前轴承挡圈，中压涡轮轴承定位环，空气封严环，滑动封严环喷涂铝硅/石墨涂层，中压压气机静子封严圈喷涂铝硅/聚醋涂层等，这些均属于可磨耗封严涂层。

主动磨削涂层主要是喷涂在转子组件和静止件配合部位上的硬质涂层。要求涂层结合强度高、硬度高、隔热性能好。如:转子应有很好的平衡性，不允许涂层的不均匀磨损或掉块现象发生。这类涂层主要是等离子喷涂的陶瓷涂层。陶瓷涂层硬度高、高温性能好，且导热系数低，不会使薄壁转子因摩擦热而产生变形。例如某型机压气机七级盘、某型机压气机级间鼓盘和涡轮蓖齿盘等。美国G.E公司LM2550发动机低压涡轮转子二、三、六级封严圈上均喷涂氧化铝涂层。

3、热喷涂技术在维修中的应用

热喷涂技术在航空发动机维修上应用的主要目的是:恢复尺寸，恢复涂层，喷涂耐磨、耐热、耐蚀、抗冲击载荷、减摩等涂层，使经过修复的零件恢复或提高性能、延长使用寿命。热喷涂技术在国外的航空发动机修理中被广泛地应用于风扇叶片、涡轮叶片等部件上，使磨损后的零件修复，达到提高发动机效率，延长发动机使用寿命的目的。

3.1国外应用

据资料介绍，在较差材质零件的磨损面上用爆炸喷涂耐磨涂层，可使零件耐磨，将其使用寿命延长数倍至数十倍。如:钦合金压气机叶片的阻尼凸台表面(约0.4cm2)，受到高负荷的撞击和微振磨损，由于钦合金不耐磨，寿命仅100h，在凸台上喷涂一层0.25mm厚的WC涂层，叶片寿命可从100h延长到1000h以上;在燃烧室的定位卡环上喷涂一层0.12mm厚的WC涂层后，零件寿命从4000h延长到28000h以上。

由于风扇叶片容易被外物打伤，风扇叶片前缘部分必须定期分析和修理。爆炸喷涂已成为国外修理风扇叶片的一种重要方法。例如，TF39的风扇叶片修理先清理损伤区，采用电子束将新材料焊在叶片边缘上，然后切削加工至原有的设计外形。而叶片的凸台有时必须进行TIG焊并消除应力，同时要进行爆炸喷涂以防止冲击磨损。耐磨的爆炸型HVOFWC涂层广泛用于军用金属零件。HVOF在国外不仅用于WC-Co及NiCr-Crc系统，也用于沉积耐磨和耐蚀合金如NiCrFe、NiCrMo。HVOF喷涂MCrAIY也在代替某些低压等离子(LPPS)抗高温氧化及热腐蚀涂层和热障涂层的中间层，用于修理和恢复零件原有尺寸图。

RB211发动机燃烧室衬套采用镍铬铝及氧化镁/氧化错热障涂层后，二次大修的使用寿命从1000h提高到4000h-5000h。加拿大太平洋航空公司采用一系列热喷涂涂层后，使JT3D发动机寿命从4000h提高到24000h，而JT8D发动机寿命则从4000h提高到16000h。

发动机涡轮叶片和导向叶片是航空发动机的核心部件，工作在高温燃气气氛中，承受复杂多变的热应力和机械应力，工作条件十分恶劣，而且结构和形状十分复杂，但是无论是防护涂层脱落，还是裂纹、烧损、腐蚀、振动磨损，国外都有专门的厂家从事再制造，复合表面技术在其中占有重要地位。美国普·惠公司的TI9D发动机的导向叶片和一、二级涡轮叶片，修复后进行地面耐久性试验，结果表明:涂覆TBC的一级叶片，经2778次循环均处于良好状态;而无TBC的叶片，经1500次循环后，叶片缘板就发生了明显的破坏。

3.2国内应用

目前国内热喷涂技术在航空发动机维修中的应用与国外先进技术相比还有一定的差距，热喷涂技术在航空动力维修中主要是用于恢复尺寸、喷涂耐磨层等。

某型发动机的加力调节片和密封片由于发动机运转时振动产生相互间的碰撞和磨擦，致使局部磨损，其零件材料为a相为基的钦合金，使用温度范围350℃-500℃，最高工作温度400℃-500℃。如果只在表面堆焊恢复尺寸，由于材料性能的限制，其耐磨性难以符合要求，所以焊后在其表面用爆炸喷涂WC/Co的方法进行修复。长试后进行检查，耐磨性能比没有喷涂耐磨层以前有了很大的提高。目前国内热喷涂技术在航空发动机维修中应用最广的领域是恢复发动机上零部件的尺寸，如在1级机匣等离子喷涂聚苯醋/铝硅封严涂层，在加力筒体隔热屏上等离子喷涂氧化错涂层，火焰筒喷涂热障涂层等;再如滑油泵壳体的啮合面磨损，采用等离子喷涂铜铝涂层的方法恢复其尺寸;卸荷腔、球面衬套上火焰喷涂镍包铝以恢复磨损的尺寸。

4、结语

热喷涂技术作为一项先进的表面工程技术，在航空动力制造和维修中正发挥着重要的作用，在国内航空动力维修中的应用与国外先进技术相比有一定的差距，但是随着技术的进步，国内航空动力维修工程重视程度的增加，热喷涂技术必将发挥更重要的作用。

参考文献：

[1]张燕，张行，刘朝辉，等．热喷涂技术与热喷涂材料的发展现状［Ｊ］．装备环境工程，２０１３，１０（３）：５９

[2]石忠川，汤智慧，王长亮．Д－３０发动机中央传动机匣表面涂层的冷喷涂修复［Ｊ］．航空维修与工程，２０１４（６）：４７