1.背景需求

    當(dāng)前，軍用直升機(jī)或運(yùn)輸機(jī)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，經(jīng)常會(huì)在沙漠、戰(zhàn)場(chǎng)前線等惡劣環(huán)境中起飛和降落。這些場(chǎng)合的空氣成分十分復(fù)雜，含有大量的砂塵等顆粒物質(zhì)，它們隨空氣被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)后，就會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性等帶來惡劣影響。

飛機(jī)在沙漠中起降

    而發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的核心部件，為飛機(jī)提供飛行所需的動(dòng)力，一旦不能正常工作，將會(huì)給飛行帶來非常嚴(yán)重的后果。在結(jié)構(gòu)上，航空發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪以及尾噴管等組成。在工作過程中，壓氣機(jī)風(fēng)扇從進(jìn)氣口中吸入空氣，并對(duì)空氣進(jìn)行逐級(jí)壓縮，以使其更好地與燃油混合，最后燃燒膨脹向后噴出，其反作用力就會(huì)推動(dòng)飛機(jī)向前。

    在沙漠等惡劣環(huán)境中，空氣中含有大量的塵埃和沙粒，這些顆粒物質(zhì)在高速氣流的作用下被吸入發(fā)動(dòng)機(jī)到中，在流過零件表面時(shí)，其尖銳部分就會(huì)與零件表面發(fā)生碰撞和摩擦，由此對(duì)零件表面造成漸進(jìn)性磨損，這就是沖蝕現(xiàn)象，這個(gè)過程有點(diǎn)類似于自然界中的風(fēng)力侵蝕。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，直徑大于30μm的砂粒能對(duì)葉片造成明顯的沖蝕磨損，大顆粒甚至能使葉片變形。雖然這些顆粒物質(zhì)的體積很小，但不要小看它們所帶來的危害，正所謂“千里之堤，潰于蟻穴”，它們對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的影響不可小覷。

    面對(duì)兵強(qiáng)馬壯、洶涌而來的滾滾砂塵，弱小民族的葉片們毫無招架之力。砂塵顆粒的沖擊和磨損作用將會(huì)對(duì)壓氣機(jī)葉片造成嚴(yán)重的沖蝕，尤其是近年來開始使用的比強(qiáng)度高、綜合性能好的鈦合金葉片，耐沖蝕性能很差，更需要解決其沖蝕磨損問題。否則，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命將會(huì)受到嚴(yán)重影響。統(tǒng)計(jì)資料表明，飛機(jī)在普通環(huán)境中飛行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命可以達(dá)到2000h，但在沙塵環(huán)境中飛行時(shí)，在沒有抗沖蝕涂層的情況下，壽命僅能持續(xù)100h。一旦發(fā)動(dòng)機(jī)吸入沙塵，沙塵便開始劃磨材料，并慢慢沖蝕葉片。另外，雨水等腐蝕性液體也會(huì)加速?zèng)_蝕，反之沖蝕又加速腐蝕，以“多米諾效應(yīng)”對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行侵蝕，將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

    2.沖蝕機(jī)理

    砂塵顆粒對(duì)零件表面的沖蝕損傷機(jī)理如圖10所示，可以看出，沖蝕造成的損傷程度隨著砂塵顆粒沖擊角度的不同會(huì)存在較大差異。小攻角（或小角度）沖蝕時(shí)，砂塵在材料表面形成犁溝效應(yīng)，磨損機(jī)制以微切削為主；而大攻角（接近垂直沖擊）沖蝕下，沖擊產(chǎn)生的微裂紋或者損傷會(huì)成為疲勞源，失效機(jī)制多以疲勞破壞為主。

    在實(shí)際的沖蝕過程中，大量砂塵顆粒呈現(xiàn)為無序的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在這種情況下將出現(xiàn)多種沖蝕失效機(jī)理相互耦合的現(xiàn)象，十分復(fù)雜。

    因此，必須采取措施來減少發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的沖蝕磨損。雖然可以采用在進(jìn)氣道前端安裝防塵裝置、更換葉片材料以及優(yōu)化葉片型面設(shè)計(jì)等方法，但仍不能有效地解決葉片的砂塵沖蝕問題。那么，接下來，今天的主人公——“抗沖蝕涂層技術(shù)”就要隆重登場(chǎng)啦~有了它，就能讓發(fā)動(dòng)機(jī)“刀槍不入，百毒不侵”了~

    3.抗沖蝕涂層技術(shù)的定義

    抗沖蝕涂層技術(shù)是提高壓氣機(jī)葉片抗沖蝕性能的有效手段。具體說來，就是在葉片表面沉積一層抗沖蝕性能好的涂層，這樣就可以降低砂塵對(duì)葉片的沖蝕磨損量，與此同時(shí)，也減少了顆粒沖擊在材料表面形成的應(yīng)力集中，進(jìn)而降低疲勞源產(chǎn)生的可能性。

物理氣相沉積的基本原理

    抗沖蝕涂層常用的制備技術(shù)是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD），其基于等離子體技術(shù)，具有結(jié)合強(qiáng)度高、沉積溫度低、涂層制備材料豐富以及鍍層多層化等特點(diǎn)，已經(jīng)成為極具發(fā)展?jié)摿Φ耐繉又苽浼夹g(shù)。

    相比于其他方法，抗沖蝕涂層技術(shù)更便于實(shí)施，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行大修時(shí)，對(duì)損傷葉片修復(fù)后增加涂層鍍覆工藝，或在新出廠發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片上直接鍍覆涂層。可以看出，抗沖蝕涂層技術(shù)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

    4.國(guó)外研究現(xiàn)狀

    對(duì)抗沖蝕涂層技術(shù)的需求由來已久。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍直升機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)由于砂粒沖蝕的破壞，壽命僅為一般無沖蝕環(huán)境下發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的1/8。在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中，俄軍裝備的米-17直升機(jī)在砂塵環(huán)境中使用，曾發(fā)生多起壓氣機(jī)葉片裂紋、斷裂故障，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命大幅縮短，危害了飛行安全。

    因此，美、俄等國(guó)對(duì)砂塵沖蝕問題十分重視，迅速與美國(guó)GE 公司、加拿大MDS公司、Liburdi公司以及俄羅斯PRAD 公司開展合作，從材料體系、制備技術(shù)與工藝、試驗(yàn)考核等方面開展研究工作，現(xiàn)已將該技術(shù)成功用于幾十個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)。

    目前，國(guó)外主要將二元抗沖蝕涂層用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，如法國(guó)幻影戰(zhàn)機(jī)一、二級(jí)壓氣機(jī)葉片使用TiN涂層，前蘇聯(lián)也使用TiN、CrC、ZrN涂層葉片，尤其將TiN涂層應(yīng)用于米-24、米-28直升的發(fā)動(dòng)擎螺旋槳及壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片上。美國(guó)則將TiN涂層用于CH-46E海上騎士運(yùn)輸直升機(jī)的引擎螺旋槳葉片，使葉片壽命提高了3~4倍，英國(guó)也通過研究將沖蝕涂層用在“山貓”直升機(jī)壓氣機(jī)葉片上。

ER−7涂層降低葉片弦長(zhǎng)和厚度的損失量

    MDS-PRAD、GE公司進(jìn)一步改進(jìn)抗沖蝕涂層，并將成分分別為TiN和TiAlN的ER-7和BlackGold陶瓷涂層用在直升機(jī)和運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上。ER?7涂層是其主要成份為TiN，采用軟層與硬層交替使用的多層結(jié)構(gòu)，最外層是堅(jiān)硬、致密的鎳基金屬，在基體金屬和涂層之間設(shè)置有過渡層，看起來就像個(gè)“超級(jí)三明治”。該涂層同時(shí)具有較強(qiáng)的抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力和多角度的沖擊能力。ER-7涂層具有更好的斷裂韌性和抗沖擊性能，目前已在渦軸和渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛使用。BlackGold涂層是在ER?7基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型納米涂層，除了具備較強(qiáng)的抗沖擊磨損性能外，還具有較強(qiáng)的耐蝕性能，該涂層每年為美軍節(jié)省維修、換件和燃油經(jīng)費(fèi)約1 億美元。同時(shí)，國(guó)外科研人員也開展了多層涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究，采用物理氣相沉積方法，將設(shè)計(jì)的2層、8層和32層等多種涂層結(jié)構(gòu)的氮化鈦/鈦涂層制備于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片常用AM355 材料和鈦合金表面，并采用玻璃、石英、氧化鋁作為砂塵對(duì)涂層的沖蝕性能開展試驗(yàn)研究，其中2層和32層結(jié)構(gòu)的涂層分別對(duì)氧化鋁顆粒和玻璃顆粒的沖擊具有較好的防護(hù)效果。