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噴航天發(fā)動機零件生產(chǎn)線.等離子設備—---航天動力發(fā)動機零件

Professional production line for state-owned enterprises and foreign spraying (export-oriented)

適合國企和外資噴涂專業(yè)生產(chǎn)線（出口型）
高溫可磨耗封嚴涂層等離子噴涂技術在 高溫可磨耗封嚴涂層作為發(fā)動機部件的重要涂層之一，用來調(diào)控高壓渦輪轉(zhuǎn)子部件與機匣之間的間隙，對保持發(fā)動機的效率十分關鍵。中航工業(yè)制造所高能束流加工技術重點實驗室研制開發(fā)的添加陶瓷減摩自潤滑材料及聚苯酯的高溫可磨耗封嚴涂層，涂層摩擦系數(shù)低，可磨耗性能優(yōu)異，同時抗高溫氧化性能及燃氣沖刷性能優(yōu)良。高溫可磨耗封嚴涂層厚度一般超過1.5mm，必須采用機器人自動等離子噴涂技術，噴涂參數(shù)計算機閉環(huán)控制、涂層厚度在線監(jiān)測，這樣有利于涂層組織結構及厚度均勻，穩(wěn)定涂層冶金質(zhì)量。
熱障涂層等離子噴涂技術
熱障涂層廣泛用于航空發(fā)動機及地面燃氣輪機，保護發(fā)動機高溫部件，如燃燒室、渦輪葉片、火焰噴管等（見圖2），可大幅度提高部件壽命、提高發(fā)動機效率、降低部件溫度或提高燃氣溫度。
熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積法。熱沖擊壽命和熱導率為熱障涂層的兩個關鍵技術指標。沒有優(yōu)異的抗熱沖擊性能，熱障涂層就不能在可靠性要求極高的航空發(fā)動機上獲得成功應用。把涂層壽命做到數(shù)千、數(shù)萬小時是熱噴涂涂層成功應用于商用飛機發(fā)動機的關鍵所在。
由于氧化釔穩(wěn)定氧化鋯在1200℃以上工作、在隨后的冷卻過程中相變，相變過程中材料體積將膨脹約4%，這種體積效應使涂層產(chǎn)生裂紋甚至剝落。國內(nèi)外學者對兩種或兩種以上稀土氧化物復合穩(wěn)定氧化鋯的多元體系進行了較多研究，取得了明顯進展，美國科學家開發(fā)的氧化釓、氧化鐿、氧化釔三元稀土復合穩(wěn)定氧化鋯工作溫度可達1500℃，并已商品化。
制造所高能束流加工技術重點實驗室研制開發(fā)的多元稀土氧化物復合穩(wěn)定氧化鋯超高溫熱障涂層，隔熱性能及抗熱沖擊性能優(yōu)異，1500℃長期工作、在隨后的冷卻過程中也沒有有害的相變發(fā)生，使用溫度達到國際先進水平。
熱噴涂技術發(fā)展趨勢熱噴涂技術經(jīng)過100余年的發(fā)展，技術日益成熟，用途涉及航空航天、工業(yè)燃氣輪機、汽車、電力、燃料電池與太陽能、醫(yī)療衛(wèi)生、造紙與印刷等諸多領域。
要實現(xiàn)航空發(fā)動機在高推重比和高效能上的重大突破，就必須提高發(fā)動機中燃氣溫度，這必然造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的大幅度提高。碳化物、氮化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代鎳基高溫合金作為在更高溫度下工作的發(fā)動機高溫結構材料，制約其應用的重要因素是其在發(fā)動機高溫燃氣環(huán)境中的材料組織結構穩(wěn)定性不足，碳化物、氮化物陶瓷能夠和水蒸汽等反應生成揮發(fā)性的產(chǎn)物造成陶瓷材料結構及性能嚴重退化。在陶瓷表面采用氣相沉積與等離子噴涂復合技術制備環(huán)境障涂層，可以有效阻止高溫燃氣氣氛和陶瓷基體的接觸，提高陶瓷基體的結構穩(wěn)定性。
在某些重要應用領域需要高的涂層結合強度，甚至需要涂層與零件基體間冶金結合。為克服熱噴涂涂層界面機械結合的不足，激光等離子復合噴涂技術應運而生（見圖3）。激光等離子復合噴涂涂層界面為冶金結合，涂層結構致密均勻，可用于發(fā)動機刷式封嚴跑道的制造。目前要解決的主要問題：一是控制熱輸入，避免涂層成分過度稀釋及材料組分的分解；二是降低應力，避免涂層中出現(xiàn)裂紋。

航空、航天工業(yè)中的應用
熱噴涂技術在航空、航天工業(yè)中應用歷史久，范圍廣，涂層品種多，而且技術含量高。盡管航空、航天中飛機發(fā)動機、宇宙火箭等工作條件十分惡劣，對涂層可靠性要求非常苛刻，但當代航空發(fā)動機中一半以上的零件都有涂層，主要用耐磨、耐腐蝕、抗氧化、封嚴。下表給出熱噴涂技術在航空航天中的部分應用。
熱噴涂航空航天中的應用
領域 零部件 噴涂工藝 涂層材料 涂層用途
火箭技術 火箭頭部和噴管 等離子噴涂 A1 2 O 3， ZrO 2 ，W 耐熱、抗沖蝕
宇宙飛行器 噴氣推進彈體整流罩 宇宙研究裝置 超短波天線 等離子噴涂 等離子噴涂 等離子噴涂 ZrO 2， A1 2 O 3 A1 2 O 3， ZrO 2， W金屬，氧化物及碳化
物 絕熱 防粘連、絕熱、熱輻射性能 絕熱、絕緣
航空 噴氣發(fā)動機蝸輪及壓氣機 葉片 燃氣蝸輪葉片 燃燒室內(nèi)襯 起落花流水架軸頸 機翼及機身承力結構 前整流艙 機匣 等離子噴涂 等離子,HVOF 等離子噴涂 等離子噴涂 等離子,HVOF 等離子噴涂 等離子噴涂 等離子噴涂 Co-WC，TiC，Cr 203 Ni-A1，NiCrBSi Ni-A1，A1，A1 2O3 CoCrA1Y，MgO.ZrO 2 硬質(zhì)碳化物及其合金纖維增強復合材料,聚苯酯、硅鋁 鎳包石墨、鎳包硅藻土 耐沖蝕 耐熱 耐熱 耐熱 耐磨 強度、剛度 滑動、封嚴 耐磨、潤滑可磨、封嚴
對于發(fā)動機的絕熱涂層，過去一般采用穩(wěn)定型的zro 2, 面層材料和CONICRALY高溫粘結底層材料，通過等離子噴涂，制備兩層或數(shù)層階梯結構涂層。自20世紀80年代末至90年代初，由于新的涂層技術---電子束物理氣相沉積技術的開發(fā)成功，制備的熱障涂層為柱狀晶結構，與粘結底層結合牢固，涂層表面光潔，使用壽命高于等離子噴涂層一個數(shù)量級。關于熱障涂層的粘結底層加陶瓷涂層結構，我國目前主要采用二層涂層結構，并已應用在新型發(fā)動機燃燒室，加力燃燒室等熱部件上。目前對熱障涂層的改進主要從多層或梯度功能涂層的設計，粘結底層的預氧化處理，熱障陶瓷面層的滲鋁處理，陶瓷面層激光改性處理等方面研究和發(fā)展。
發(fā)動機封嚴涂層隨著熱端高溫氣流溫度的逐級提高，使用溫度從300℃到1100℃，目前最高溫度可達1350℃。A1Si-聚苯酯，鎳-石墨，鎳-硅藻土等復合粉末涂層，已獲得成功應用。其中，尤以高溫封嚴涂層制備和工作條件最困難。要求其厚度達2-3mm，噴涂時必須嚴格控制涂層應力的產(chǎn)生。另外，要承受1000-1350℃高溫，遭受2-3倍音速的高溫氣流沖刷，受到超過300m/s線速度葉片尖部刮削而不發(fā)生剝落。故涂層必須耐高溫、抗氧化、耐熱震、結合強度高，化學惰性，而且質(zhì)軟，多孔（孔隙率達25%-30%）。

航空發(fā)動機某些零部件的磨損總是也是十發(fā)嚴重的，在服役期間，有的發(fā)動機低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速5000r/min；并在極高負載和各種頻率的振動下工作，從而產(chǎn)生各種機理的磨損，這些磨損僅靠改變基體材料是達不到要求的。據(jù)英國RR公司統(tǒng)計，1976年前發(fā)動機零部件60%因磨損而報廢，采用耐磨涂層后報廢率降到30%，目前采用爆炸噴涂和HVOF噴涂涂層已有50多種在航空產(chǎn)品零件上獲得應用，如高低壓壓氣機葉片、蝸輪葉片、輪轂封嚴槽、齒輪軸、火焰筒外壁、襯套、副翼滑軌、制動裝置等。目前國內(nèi)開發(fā)的某新機種上，規(guī)定采用十幾種熱噴涂層（主要是耐磨涂層）數(shù)百個零件，其中四種最關鍵的耐磨涂層必要采用結合強度好、涂層致密度高的爆炸噴涂和HVOF噴涂工藝制備。下表為爆炸噴涂在國內(nèi)航空方面的應用。
爆炸噴涂在國內(nèi)航空方面的應用
零件名稱 涂層種類 應用特性效果
發(fā)動機蝸輪軸 NiCrBSi-Ni-A1 磨損報廢，重新使用
蝸輪葉片葉冠 X-40 磨損超差，重新使用
發(fā)動機燃油導管 NiCrSi 耐磨、延長使用壽命
壓氣機葉片阻尼臺 Co-WC 耐微振磨損
三叉戟發(fā)電機軸 Co-WC 耐磨一年以上
三叉戟襟翼滑軌 Ni 3 A1-WC 磨損、噴涂后使用
三叉戟前輪軸、套筒 Co-WC 磨損、噴涂后使用