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涂层技术的发展与应用

黄亚博

(河南科技大学材料科学与工程学院, 河南 洛阳, 471000）

摘要：随着我国航天技术快速发展和对先进海洋工程装备的需求日益强烈，关键部件材料的表面性能要求越来越高。然而，单从提高材料自身性能的角度来满足对高性能的要求几乎是不可能的。涂层技术是表面工程技术中提高材料表面性能的一种重要方法，它能够在不破坏材料自身性能的前提下，对材料表面性能进行强化，使材料或部件表面具备耐磨、耐蚀、抗氧化、耐热、绝缘、密封和隔热等性能中的一种或几种。因此，涂层技术已成为实现航天、海洋工程装备材料最终性能的重要手段。本文对航天、海洋工程装备中涉及到的材料表面改性技术、应用和发展进行了综述。最后，展望了涂层技术将来的研究方向。关键词：关键部件；涂层；表面性能前言

腐蚀与防护，一直是航空领域中倍受关注的课题。据工业发达国家统计，每年因腐蚀所造成的经济损失占国民生产总值的2%~4%；我国每年因腐蚀造成的直接经济损失达200 亿元[ 1 ]；美国空军1992年用于腐蚀的维修费用高达7.18 亿美元。采用各种表面防护技术能够有效地控制腐蚀现象的发生和扩展，减轻腐蚀造成的损失。表面技术是表面处理、表面涂层及表面改性的总称。表面技术是应用物理、化学和机械加工来改变材料表面的形态、化学成分、组织结构等使材料本身具有某些特殊性能[ 2 ]。表面涂层是改变表面性能的一种重要手段，将涂料一次施涂所得到的固态连续膜，是为了防护，绝缘，装饰等目的，涂布于金属，织物，塑料等基体上的塑料薄层。涂料可以为气态、液态、固态，通常根据需要喷涂的基质决定涂料的种类和状态。涂层在材料或工件上所占质量及体积比例虽然很小，但对其提高材料性能、延长零件工作性能的作用却十分显著[ 3 ]。涂层技术的意义

国外文献报道，有75％以上的航空发动机零件加有金属或陶瓷涂层以改进其性能和可靠性[ 4 ]。在当代先进应用技术如微电子、光学、航空航天领域中的作用也非常重要。同时大多数涂层往往工作环境恶劣，承受着各种复杂的载荷，因此如何延长涂层的工作寿命、高相关性能始终是涂层制备工艺具有挑战性的课题。随着科技发展,人们发现，仅仅通过提高材料表面的耐磨耐蚀性，也能大大提高材料的使用寿命，从而就有了涂层技术的应用和发展。涂层技术概念的提出与发展应用, 对工业科技发展具有了重大的影响和推动意义[ 5 ]：

(1)涂层技术不仅可以保证产品的质量，还能够满足不同服役条件下产品的外观。能够提高产品的使用寿命、可靠性和市场竞争力。

(2)涂层技术是一种节约成本、减少消耗的手段。采用有效涂层保护手段，至少可减少腐蚀损失15%，减少磨损损失33%左右[ 6 ]。

(3)涂层技术在制备新型材料方面具有特殊的优势。通过表面原位合成技术，能在低成本基础上在工件表面制备出性能优良的新型合金材料涂层，很好满足了工业、航空航天工业对高性能零部件表面的需求[ 7]。涂层技术的分类及应用

依据涂层的主要功用不同，涂层可分为封严涂层、耐磨涂层、抗腐蚀涂层、抗氧化涂层、热障涂层、钛合金阻燃涂层等几种类型[ 8]。3.1 封严涂层

封严涂层一般涂层于转子轴、鼓简、轴承、转动叶片叶尖、压气机和涡轮各级之间的封严装置表面[ 9 ]，以控制间隙、减少泄露损失。封严涂层可分为两类，一类是可磨耗涂层，另一类是主动磨削涂层。3.1.1 可磨耗涂层

可磨耗涂层，即为喷涂在与转动件相配合的静子环带上的允许磨耗的软涂层，要求具有良好的润滑性、执冲蚀性、热稳定性。涂层材料一般利用Al，Cr，Ni等金属或合金、金属间合物的良好抗氧化性和热绝缘性材料作耐高温基体，辅以石墨、氮化硼、硅藻土等磨损性好的材料作润滑剂。3.1.2 主动磨削涂层

主动磨削涂层是喷涂在高速旋转的转子封严算齿(如涡轮叶片的叶冠算齿)上的硬度较高的涂层，它磨削与其对应的密封环上的可磨耗涂层，但本身尽量不受磨损。因此除了硬度高外，还要具有与基体结合强度高、隔热性能好的特性。3.2 耐磨涂层

磨损是航空然气祸轮发动机比较常见且危害较大的故障，按其形式可分为磨粒磨损、冲蚀磨损和微动磨损等几种类型[ 10 ]。磨粒磨损主要发生在转子轴及其轴承等承受较大机械负荷有相对运动的部件，通常靠改善润滑来降低磨损程度;而冲蚀磨损和微动磨损常发生在没有润滑或不能润滑的机件，应用耐磨涂层可有效减轻磨损。按其主要功能不同，耐磨涂层又可分为耐冲蚀磨损涂层和耐微动磨损涂层[ 11 ]。3.2.1 耐冲蚀磨损涂层

冲蚀磨损主要发生在气流通道，是含有固体粒子的气流高速冲刷叶片造成的。大气中含有各种粉尘，对于经常执行低空飞行任务的直升机，冲蚀磨损是其涡轴发动机压气机失效的主要形式[ 12 ]。涡轮叶片、涡轮机匣也会发生冲蚀磨损。冲蚀磨损使叶型受到破坏，致使发动机功率下降，并且冲蚀点还会成为疲劳源，造成叶片裂纹甚至断裂，导致危害性故降发生。在受冲击的机件表面喷涂高密度、高硬度的合金或金属间化合物材料涂层，可增加机件表面的硬度，增强耐冲蚀性能。3.2.2 耐微动磨损涂层

微动磨损产生在有一定正压作用、工作中有徽小位移往复运动，两个接触表面，也称振动磨损[ 13 ]。互相配合或互相接触的两个机件，在振动或交互应力的作用下都可能发生微动磨损。由于航空始气润轮发动机要求重轻，采用柔性结构多，加之温度变化大，并大量使用铝、镁、钛合金和镍基合金，微动磨损尤为严重[ 14 ]。压气机叶片的减振凸台阻尼面和涡轮叶片叶冠阻尼面等是微动磨损多发部位。微动磨损的主要危害是所造成的表面损伤不断发展，会加快诸如疲劳磨损等其他形式的故障产生，导致机件失效。根据微动磨损部位不同的工作条件和材料，喷涂各种耐微动磨损涂层，可有效降低微动磨损程度，延长机件的使用寿命。3.3 抗氧化防腐蚀涂层

抗氧化防腐蚀涂层的主要作用是防止高温、高压、高速和高腐蚀性的燃气对发动机热部件金属表面的冲蚀作用，从而减少金属部件产生氧化、热腐蚀、合金元素贫化和热疲劳等破坏。已经应用的抗氧化防腐蚀涂层，主要有铝化合物(如NiAl、CoAl或FeAl)涂层MCrAlY(M=Ni，Fe或Co等)合金涂层以及高温陶瓷涂层[ 15 ]。目前正在研究的增加抗氧化防热腐蚀性能的方法有：①采用既有扩散铝化物又有包覆MCrAlY的化学改性工艺；②添加增加抗氧化防热腐蚀性能和提高与基体结合力的有关元素，如Hf、Ta和Re等。3.4 热障涂层

热障涂层对气路的热量有良好的隔断作用，而且还具有明显改善部件抗热疲劳和抗氧化性。普遍应用于涡轮叶片、导向叶片、燃烧室和加力燃烧室简体。一般以多层结构形式与底层组合使用，底层起抗氧化和与基体粘接的作用，表层是隔热层。热障涂层工艺目前主要采用等离子喷涂、溅射沉积和电子束物理气相沉积。典型的一种热障涂层是在抗氧化MCrAIY底层上施加Y203稳定化的Zr02隔热涂层形成的复合涂层。美国某实验室研究表明，该热障涂层的隔热效果可达189 ℃，这将为更有效地提高航空发动机的效率和使用寿命展示了良好的前景[ 16 ]。

3.5 高温耐磨涂层

航空发动机是在高负荷和不同振动频率下工作的，而且还受到高温、高压、高速、强腐蚀和带有碎片气流产生的强烈冲刷，产生各种形式的磨损。磨损一度成为发动机零件损坏的主要原因。采用耐磨涂层保护后，报废率大大降低，可见，合理地选用耐磨涂层，改善发动机零件的耐磨性能是十分重要的。目前应用的高温耐磨涂层主要有WC涂层、Cr3C2涂层、TiC涂层、Ni-Cr-B-Si合金涂层、镍包铝涂层和氧化物涂层(如Al2O3、ZrO2、Cr203和TiO2等)以及各种复合涂层[ 17 ]。一般采用等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂等工艺制取涂层。总之，高温涂层已经成为现代航空涡轮发动机制造中不可缺少的材料。在不断发展新型更耐热的合金材料和更有效的冷却技术的同时，大力发展高温防护涂层是更有实效的新技术。目前人们正对具有梯度成分和多层结构的新型高温涂层进行大量的研究工作，这样的涂层可以在更高的温度和较陡的温度梯度下工作，获得较好的隔热效果和抗剥落能力。3.6 钛合金阻燃涂层

由于钦合金具有密度小、耐热性及抗腐蚀性好、机械强度较高等优点，先进的航空燃气涡轮发动机已普遍采用钛合金作为压气机机匣、转子盘、转子叶片、静子叶片和风扇叶片等部件的材料，以减轻发动机的重量,提高推重比。但普通钛合金对持续然烧敏感，在高温、高压或剧烈冲击下易起火燃烧，严重危害着飞行安全。用其它材料代替杖合金。如采用合金钢压气机静子机匣、用镍合金做高压压气机的转子材料，虽有效解决钛合金燃烧问题，但是却不同程度地增加了发动机重量,降低了发动机性能。目前还没有更好的材料完全取代钛合金在航空燃气涡轮发动机上的应用，在今后相当长的时间内钛合金仍然是不可或缺的航空材料。为了保证钛合金的使用安全性，国外的航空材料学家一直致力于钛合金阻燃烧涂层的研究，并取得了一定的研究成果。钛合金阻染涂层目前主要用于钛合金材料制成的压气机转子叶片和机匣内环[ 18 ]。应用于转子叶片的阻燃涂层要具有较高的硬度、良好的抗腐蚀性和抗热蠕变疲劳性能，且涂层表面应有很高的光沽度，以减少对气流的叶片附面层阻力。用于机匣内环的涂层，应同时具有封严涂层的功能，以提高压气机效率。钛合金阻燃涂层一般采用PVD法,CVD法以及常规的电被方法。钛合金机匣的阻燃涂层一般用VPS法和爆炸喷涂等热喷涂工艺制备[ 19 ]。涂层技术的发展方向

工业科技的发展促进了涂层技术的发展，同时，涂层技术的发展也必须适应工业科技的发展。现代涂层技术要在未来的工业中体现出巨大的作用，必须从以下方面做出深入研究和改进:

(1)深化涂层理论的改善和测量仪器的研究从微观的角度分析摩擦磨损的机理，研究涂层在摩擦学在工业中的应用。研究在线监测技术，实时监控进行在线监测，形成相关严密的覆层失效评估体系。

(2)研究开发新型涂层材料。涂层材料是制备优良涂层的物质基础，不断开发优良的耐磨耐腐蚀以及不同环境需求的优质涂层材料是保证表面工程强大生命力的基础，开发在表面工程技术加工过程中自形成新材料的功能涂层能够更加显示出表面工程的优越性。

(3)开发多功能涂层。随着工业的发展，许多行业需要特殊涂层,如防滑涂层、隐身涂层、吸热涂层、隔热涂层、导电涂层、催化涂层等，采用激光、高能电子束、离子束等现代先进表面技术的联合应用，制备特殊结构，特殊要求的功能涂层，具有很好的发展前景。

(4)实现涂层工程的清洁生产。表面工程基本来说是属于节能环保型工程，但某些技术任然存在污染问题，比如涂装、电镀热处理等。研究从设计、制造到运行全过程的无污染的、节约型的、再生的涂层技术工程，也是涂层技术工程一个基本发展趋势。

参考文献

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