封严涂层及其制备技术

封严涂层及其制备技术
1、定义
封严涂层是涂覆在飞机（航空）发动机气流通道的间隙部分的涂层。

航空发动机在工作过程中，在离心力，气动力及热膨胀的共同作用下，转子与静子都会发生变形，导致转子与静子之间相互摩擦造成机械损伤，在设计、制造和修理过程中，转子与静子之间在构造上必须保留适当的间隙；但是发动机工作状态下转子与静子的间隙却会导致发动机效率的降低，如果采取适当的措施有效的减小发动机转子和静子之间的径向间隙则可大大提高发动机的可靠性和效率。

资料表明典型的发动机高压涡轮叶片间隙若平均减少0.245mm，涡轮效率可提高约1%；如果压气机间隙增加0.076mm，单位油耗率增加约1%。

图3-1展示了径向间隙对部件效率及其耗油率的影响，随着叶片和机匣之间间隙的增加，耗油率大幅增加。

此外压气机的运转间隙过大，会严重影响发动机工作时的气动性，并可能引起喘振，导致发动机稳定性下降。

因此，为提高发动机的效率，降低油耗，改善发动机气动性能，应尽量减小压气机叶尖与机匣之间的径向间隙。

图3-1 径向间隙对部件效率及耗油率的影响封严涂层是一种功能涂层，被广泛的运用于不同零部件之间，例如转子轴，鼓筒、轴承、转动叶片叶尖，压气机和涡轮等封严装置表面，以控制间隙和减少泄漏，成为有效的封严技术之一。

封严涂层使用位置示意图如图3-2所示。

封严涂层应具有较好的表面质量、优良的热稳定性和较小的摩擦系数，并且与基体材料之间的界面结合性能要比较好。

研制封严涂层需要综合考虑涂层的各种性能，特别是涂层的磨损特性和耐冲击性能。

目前采用的封严涂层主要有以下几类: 有机涂层、热喷涂涂层，烧结金属粉末；耐温可1000℃的填充或不填充的薄壁蜂窝结构涂层；耐温可达1200℃的可控孔隙率陶瓷涂层。

封严涂层通常是成对出现的，即在压气机的静子部件的表面喷涂可磨耗的密封涂层，与叶片等动子尖端的硬质涂层形成一对可磨耗密封摩擦副。

根据用途，可将封严涂层分为两大类，即可磨耗封严涂层和耐磨封严涂层。

可磨耗封严涂层是喷涂在与转动组件相配合的静子环带上的允许磨耗的软涂层。

高速高温条件下，配副发生刮擦时封严材料必须先被刮削，封严涂层对转动部件没有损伤或只产生可容忍的损伤；封严涂层材料能准确配合或适应对摩副的形状，形成最小的工作间隙。

此外，可磨耗封严涂层还必须满足以下条件：具有良好的减摩性能以降低能耗；磨痕表面光滑平整以减小空气动力损失；因此，可磨耗封严涂层材料表层必须兼顾一定性能要求并取得一定平衡，目前采用复合涂层的设计和工艺来实现。

可磨耗封严涂层的种类随着发动机工作温度的升高而不断发展，在中低温阶段，涂层基体通常为金属材料，如镍、铜、铬、铝等及其合金；目前，运用较为成熟的可磨耗封严涂层为铝基合金和镍基合金涂层体系，使用温度在1000℃以下，表3-1为常用的可磨耗封严涂
层及其制备方法、适用温度和用途。

耐磨封严涂层及喷涂在转子组件或静子配合部位，可促进配合部位的磨损，磨去对偶部分而保护自己，既保持了转子的平衡，又控制了间隙。

常用的耐磨封严涂层及其制备工艺见表3-2.
耐磨封严涂层大多为耐高温封严涂层。

例如采用超音速火焰喷涂或者等离子喷涂工艺方法制备的Cr3C2-NiCr涂层可以在450℃~980℃氧化或者空气介质中，作为封严涂层使用，是运用最为广泛的金属/陶瓷复合材料。

NiCrAlY是航空领域内常用的抗氧化涂层，具有和金属基体匹配性好的优点，也可做耐磨封严涂层材料，它多用于各种零部件的修复、强化及底层。

NiAl具有与NiCrAlY类似的性质，可用作耐磨封严涂层材料，也可用作涂层的打底。

制备方法：
封严涂层种类很多，但是基于封严涂层性能的要求，制备方法以热喷涂为主，等离子喷涂和超音速喷涂是常见的两种制备技术。

热喷涂技术是表面防护和强化的技术之一，是表面工程中一门重要的学科。

热喷涂是指利用某种热源，如电弧、等离子弧，燃烧火焰等将粉末或丝状的金属或非金属涂层材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身的动力或外加高速气流雾化，并以一定的速度喷射到经过预处理的基体材料表面，与基体材料结合而形成具有各种功能的表面覆盖涂层的一种技术。

热喷涂法自二十世纪20年代初期研制并发展至今，不论在技术上还是在应用上都有了很大突破。

所有的热喷涂加工方法可分为三个主要工艺阶段：预处理阶段、喷涂阶段和喷涂后处理阶段，其加工工艺流程如图所示。

热喷涂特点如下：
(1)涂层容易施工，且厚度可调。

(2)涂层易于大修，可以用机加或其他方法除尽，然后，在同样的位置上喷涂。

(3)多种封严涂层材料可供选择，可满足不同温度及不同发动机的需求；
(4)可提供良好的可磨耗性及气流冲蚀性；
(5)涂层可改变喷涂工艺方法及工艺参数来调整；
等离子喷涂
等离子喷涂是热喷涂中最具发展潜力的方法之一，其原理示意图如下所示。

等离子喷涂的原理是某种气体如氮、氩、氢或氦等通过压缩电弧时，会产生电离而形成中性的等离子体。

等离子弧的能量集中，温度很高(其焰流的温度在10000℃以上)，可以将粉末材料雾化并喷涂在基体表面形成涂层。

由于等离子温度达到20000K，能熔化所有的固体。

所以一般的陶瓷和金属都能通过等离子喷涂形成涂层。

火焰喷涂
火焰喷涂是热喷涂方法中运用焦躁的一种喷涂方法，它以气体的燃烧为热源，将咸菜或粉末加热到熔融或塑性状态，在高速气流作用下将雾化的颗粒喷涂于工件表面，进而形成涂层。

火焰喷涂具有设备
简单、操作灵活、投资少、见效快的特点，可用于制备各种金属、陶瓷及塑料涂层，是目前国内常用的喷涂方法之一。

但是火焰喷涂制备的涂层具有明显的层状结构，含较多的氧化物和显微空洞，而且有变形不充分的颗粒，致使涂层本身致密度低，并且与基体结合强度差。

超声速火焰喷涂和爆咋喷涂
普通火焰存在很多缺陷：涂层的层状组织含有较多气孔和氧化物；涂层与基体结合不够致密；火焰温度一般为3000℃，只能用于对低熔点金属和陶瓷材料进行涂层制备。

因此，在普通火焰喷涂的基础上，近年又发展出爆炸喷涂，超声速火焰喷涂等新技术。

爆炸喷涂技术是将燃气和助燃气按照一定比例进行混合后，送入燃烧室内，并由电火花点燃，然后利用气体爆炸的脉冲式能量，将被喷涂的粉末材料加热，加速轰击到工件表面形成涂层。

气体燃烧和爆炸的结果是产生超声速高能气流，爆炸速度达到3000m/s，中心温度可达3450℃，粉末离子的飞行速度可达1200m/s。

但是爆炸喷涂的噪声大，而且爆炸不连续的，因而喷涂效率低。