熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層（簡稱封嚴(yán)涂層）被廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪等部位。在發(fā)動機(jī)運行過程中，葉片尖端對封嚴(yán)涂層產(chǎn)生刮削作用，從而減小發(fā)動機(jī)徑向氣流間隙，減少發(fā)動機(jī)內(nèi)部氣體泄漏，獲得最大壓差，顯著提高航空發(fā)動機(jī)效率并降低油耗。數(shù)據(jù)顯示，航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉尖間隙與葉片長度比每增加 1%，發(fā)動機(jī)整體效率下降 1.5%，油耗上升 3% ；壓氣機(jī)徑向間隙每增加 0.076mm，發(fā)動機(jī)的單位油耗量增加 1% 。

    航空發(fā)動機(jī)用可磨耗封嚴(yán)涂層在實際工作中與葉片、篦齒等零件刮磨，通過犧牲自身達(dá)到氣路封嚴(yán)，保護(hù)葉片。可磨耗封嚴(yán)涂層由起支撐作用的金屬相、潤滑作用的非金屬相和降低涂層硬度的孔隙組成；通常采用等離子噴涂或火焰噴涂工藝方法制備，為底層 / 面層雙層結(jié)構(gòu)，保證涂層結(jié)合力的同時又起到封嚴(yán)作用。可磨耗封嚴(yán)涂層的工作環(huán)境及服役特點決定了其具有質(zhì)軟、多孔、多相、多層等組織結(jié)構(gòu)特點。

    隨著海上和沿海地帶空軍防務(wù)力量的增加，越來越多的可磨耗封嚴(yán)涂層需在空氣濕度大、鹽堿重的惡劣環(huán)境中服役，然而到目前為止，航空發(fā)動機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層的研究仍主要集中在耐沖蝕性、可磨耗性等服役性能的提高，在涂層設(shè)計方面缺乏耐蝕性的考慮，導(dǎo)致現(xiàn)役的封嚴(yán)涂層存在較大的海洋環(huán)境腐蝕隱患。雖然對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件腐蝕性能的研究已經(jīng)有所報道，但目前針對可磨耗封嚴(yán)涂層腐蝕問題的研究報道還很少，尚未檢索到國外相關(guān)資料。

    國內(nèi)科研院所也是近些年才開展相關(guān)研究，尚未形成系統(tǒng)。中科院金屬所雷兵以 Al-BN，CuAl-NiC 和NiCrAl-NiC 3 種涂層為代表，針對封嚴(yán)涂層模擬實際工況開展腐蝕行為研究，得出 Al-BN 主要發(fā)生電偶腐蝕，各層之間的電化學(xué)性質(zhì)不匹配是導(dǎo)致嚴(yán)重電偶腐蝕的原因；CuAl-NiC 和 NiCrAl-NiC 在中溫鹽和水蒸汽綜合作用環(huán)境下則發(fā)生嚴(yán)重的整體腐蝕破壞 。中科院過程工程研究所針對 Ni-C、TiAl-BN 的耐腐蝕性能開展研究，得出 Ni-C 涂層在腐蝕環(huán)境中，在表面和內(nèi)部形成宏觀腐蝕電池，加速了涂層內(nèi)部金屬相的腐蝕 ；TiAl-BN 復(fù)合涂層在中性鹽霧腐蝕環(huán)境中發(fā)生鈍化現(xiàn)象，比 Al-BN涂層更耐腐蝕 。

    封嚴(yán)涂層腐蝕研究現(xiàn)狀

    由于國外對航空發(fā)動機(jī)涂層腐蝕問題的研究保密，對于不同狀態(tài)下封嚴(yán)涂層的腐蝕行為研究尚無文獻(xiàn)報道。目前可查到資料僅為CFM56-7 型發(fā)動機(jī)封嚴(yán)涂層腐蝕失效破壞實例（圖 1）。這臺裝配于波音 737 的 CFM56-7 發(fā)動機(jī)一級壓氣機(jī)的 Al 基封嚴(yán)涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)因腐蝕而完全破壞，涂層分層，并發(fā)生整體開裂、剝離，失去封嚴(yán)效果。

    封嚴(yán)涂層的腐蝕失效形式對發(fā)動機(jī)的安全服役存在著嚴(yán)重的安全隱患。首先是難以發(fā)現(xiàn)，腐蝕通常發(fā)生在涂層內(nèi)部，常規(guī)檢測、觀察不易發(fā)現(xiàn)。其次危害嚴(yán)重，腐蝕破壞涂層在發(fā)動機(jī)運行過程中一旦脫落，將被高速氣流吸入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，嚴(yán)重時可能毀壞發(fā)動機(jī)內(nèi)部零件，造成安全事故。

    中科院金屬研究所盧旭陽等人研究（NiCoCrAlYSiB+AlSiY）涂層在高溫及低溫?zé)岣g條件下的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)（NiCoCrAlYSiB+AlSiY）復(fù)合涂層相對于單一的 NiCoCrAlYSiB涂層具有更好的抗高溫?zé)岣g能力，腐蝕環(huán)境中 NaCl 的存在會加劇腐蝕進(jìn)程。

    在耐磨涂層的腐蝕行為研究中，有學(xué)者對 WC-CoCr、FeCrSiB 涂層進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在 NaCl 溶液和 HCl 溶液中，WC-CoCr 涂層的耐腐蝕性明顯優(yōu)于鍍鉻涂層，但在 NaOH 溶液中，鍍鉻涂層發(fā)生劇烈鈍化形成保護(hù)膜，WC-CoCr 涂層的耐腐蝕性弱于鍍鉻涂層。FeCrSiB 涂層與 WC-CoCr 涂層類似 ，在中性和酸性的環(huán)境中耐蝕性能優(yōu)于鍍鉻涂層，但耐堿性溶液腐蝕能力不如鍍鉻涂層。在中性和酸性腐蝕環(huán)境中，F(xiàn)eCrSiB 腐蝕過程可分為活性溶解、鈍化、過鈍化 3 個步驟，鈍化保護(hù)作用能有效提升 FeCrSiB 耐蝕性。

    針對航空發(fā)動機(jī)用可磨耗封嚴(yán)涂層的腐蝕機(jī)理報道不多，目前北京科技大學(xué)許存官及中科院過程工程研究所杜令忠等人采用掃描電鏡觀察結(jié)合能譜分析等方式對火焰噴涂的 Ni-C 涂層進(jìn)行了鹽霧腐蝕行為及電化學(xué)過程研究 。結(jié)果表明，在NaCl 溶液中 Ni-C 封嚴(yán)涂層主要發(fā)生電偶腐蝕，溶液中的氧濃度是影響涂層腐蝕的重要因素，腐蝕速率隨氧濃度的提升而加快。同時，由于電偶腐蝕的作用，480h 后涂層結(jié)合強(qiáng)度下降。分析認(rèn)為，由于孔洞結(jié)構(gòu)封閉使涂層內(nèi)外物質(zhì)交換受阻，涂層自身形成宏觀電化學(xué)腐蝕電池，加劇了涂層內(nèi)部鎳金屬相的腐蝕過程。中國科學(xué)院過程工程研究所的研究中比較了 TiAl-BN 與 Al-BN 涂層，TiAl-BN 粉末材料為類球形，BN 作為核心外部包覆 TiAl 合金粉末，通過試驗得出在封嚴(yán)涂層中加入 Ti 元素可以有效提升涂層的腐蝕電位，增強(qiáng)涂層的耐蝕性。

    熱噴涂涂層腐蝕機(jī)理

    1 涂層在海洋環(huán)境中的腐蝕規(guī)律

    航空發(fā)動機(jī)在飛行和停放過程中會遇到各種不同的環(huán)境，根據(jù)結(jié)構(gòu)腐蝕調(diào)查，發(fā)動機(jī)在不同環(huán)境中的腐蝕特點不盡相同，但主要發(fā)生在海洋大氣區(qū)內(nèi)，可以得到如下規(guī)律 ：

    （1）沿海地區(qū)的腐蝕比內(nèi)地嚴(yán)重，離海岸越近越嚴(yán)重；（2）大氣污染嚴(yán)重地區(qū)的腐蝕比其他地區(qū)嚴(yán)重；（3）南方沿海的腐蝕比其他沿海地區(qū)嚴(yán)重；（4）在多雨水、多鹽霧或空氣濕度大、溫度高的地區(qū)腐蝕比較嚴(yán)重；（5）服役日歷年限長的腐蝕比服役時間短的嚴(yán)重；（6）連續(xù)長時間停放的腐蝕比經(jīng)常使用和維護(hù)的嚴(yán)重。

    在實驗室研究階段得出 ，常溫水溶液環(huán)境下，部分封嚴(yán)涂層的腐蝕速率隨環(huán)境氯離子濃度增加而增加，隨溫度的升高而加快，如 Al-BN涂層；在中高溫且潮濕環(huán)境下，涂層中金屬相抗氧化能力弱是引發(fā)涂層腐蝕的主要因素，石墨相的存在是加速封嚴(yán)涂層金屬基腐蝕速率的又一因素，如 CuAl-NiC、NiCrAl-NiC涂層。

    2 涂層在海洋環(huán)境中的腐蝕分類及腐蝕機(jī)理

    按腐蝕發(fā)生的發(fā)動機(jī)服役狀態(tài)分類，可分為飛行環(huán)境和停放環(huán)境。

    據(jù)統(tǒng)計，航空發(fā)動機(jī)服役壽命的 90%為停放狀態(tài)，發(fā)動機(jī)在加工、裝配、運輸、運行、存放和修理過程中的任何一個環(huán)節(jié)都可能發(fā)生腐蝕，尤其是在靠近沿海地區(qū)的存儲及服役環(huán)境下，腐蝕問題將更為嚴(yán)重。

    2.1 停放期間涂層腐蝕

    發(fā)動機(jī)在停放時 , 從封嚴(yán)涂層失效機(jī)理可主要分為閉塞區(qū)腐蝕和電偶腐蝕。

    （1）閉塞區(qū)腐蝕。

    可磨耗封嚴(yán)涂層具有連續(xù)的多孔結(jié)構(gòu)，在腐蝕性環(huán)境中，腐蝕介質(zhì)能夠通過孔隙向涂層內(nèi)部滲透，其腐蝕機(jī)理與縫隙腐蝕以及點蝕相似。它們的共同特點是在縫隙、蝕孔內(nèi)部存在“閉塞電池”。由于閉塞的幾何條件，縫隙、孔內(nèi)外存在對流和擴(kuò)散障礙，隨著腐蝕的進(jìn)行閉塞區(qū)內(nèi)溶液會發(fā)生貧氧、酸化、Cl - 富集等變化，腐蝕條件惡化。閉塞區(qū)內(nèi)外電化學(xué)條件的差異產(chǎn)生自催化加速腐蝕效應(yīng)。

    （2）電偶腐蝕。

    封嚴(yán)涂層體系一般由可磨耗表層、連接層、基體 3 部分構(gòu)成，由于不同層的材料不同、結(jié)構(gòu)不同、開路電位不同，因此在不同層之間、同層的不同材料之間形成電位差，滿足電偶腐蝕產(chǎn)生的熱力學(xué)因素；封嚴(yán)涂層因其服役性能要求具有多孔，在不同層之間由于孔隙存在可以形成導(dǎo)通的回路，在高電位區(qū)域與低電位區(qū)域之間形成暢通的電子通道和離子通道，滿足電偶腐蝕產(chǎn)生的動力學(xué)因素；當(dāng)熱力學(xué)和動力學(xué)條件同時滿足時，即可發(fā)生電偶腐蝕。

    以航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)用 Al-BN封嚴(yán)涂層為例，在含氯介質(zhì)中，涂層會發(fā)生 Al-BN 表層、NiAl 連接層和不銹鋼基體 3 部分的電偶腐蝕。在3部分的腐蝕電偶中，Al-BN為陽極，優(yōu)先腐蝕。通常發(fā)生電偶腐蝕的涂層，會引起表層或連接層甚至基體的破壞，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)涂層的破壞以及結(jié)合強(qiáng)度的降低。

    在停放期間，海洋環(huán)境中的真菌和霉菌沉積在金屬表面，加速了金屬的腐蝕。另外，航空發(fā)動機(jī)在停放時將受到廢氣和尾氣中的硫化物、氮氧化物與海洋鹽霧組合成的pH 值為 2.4~4.0 的酸性潮濕層腐蝕，再形成酸性液膜，加速了涂層的失效。

    2.2 發(fā)動機(jī)運行時腐蝕機(jī)理

    航空發(fā)動機(jī)在服役狀態(tài)下，通常面臨中溫鹽和水蒸汽綜合作用腐蝕，即在航空發(fā)動機(jī)運行時，外部氣體被壓入發(fā)動機(jī)中，隨著壓氣機(jī)級數(shù)的升高，氣壓和氣體溫度隨之升高，在壓氣機(jī)區(qū)域溫度可達(dá) 300~700℃。當(dāng)發(fā)動機(jī)在海洋環(huán)境下服役運轉(zhuǎn)時，大氣中的鹽分將隨氣體被吸入發(fā)動機(jī)中，沉積在壓氣機(jī)葉片和機(jī)匣內(nèi)表面，形成沉積鹽膜。在壓氣機(jī)區(qū)域溫度下，沉積鹽以固態(tài)形式存在，一旦氣氛中含有水蒸汽，涂覆于壓氣機(jī)部位的封嚴(yán)涂層將遭受中溫固態(tài)鹽膜和水蒸汽協(xié)同作用下的腐蝕，造成封嚴(yán)涂層嚴(yán)重的腐蝕失效。

    未來發(fā)展展望

    1 設(shè)計新型抗腐蝕涂層材料體系

    熱噴涂封嚴(yán)涂層中使用的復(fù)合粉體材料根據(jù)使用部位的不同而多種多樣，表 1 列出航空發(fā)動機(jī)上常見的可磨耗封嚴(yán)涂層。

    隨著我國航空發(fā)動機(jī)服役環(huán)境和區(qū)域范圍的增加，對熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層的抗海洋腐蝕能力提出了明確要求，現(xiàn)有涂層材料體系已經(jīng)不能滿足實際使用，發(fā)展新型的抗海洋腐蝕涂層材料迫在眉睫。基于電化學(xué)腐蝕的特點，選擇電極電位比部件基體材料低的的元素形成涂層，充當(dāng)電化學(xué)腐蝕電池中的陽極，先失去電子不斷被腐蝕，而電位較高的基體材料成為陰極，不斷得到電子而受到保護(hù)。由于石墨具有較高的自腐蝕電位，會引起封嚴(yán)涂層內(nèi)部金屬相與非金屬相間的電偶腐蝕，導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度急劇下降；六方氮化硼具有極小的導(dǎo)電性，可以有效抑制涂層內(nèi)不同相組成間發(fā)生的電偶腐蝕，因此中科院過程工程研究所采用六方 BN替代石墨作為潤滑相材料，開發(fā)新型耐腐蝕涂層粉末。

    2 優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)

    目前，常見封嚴(yán)涂層體系為基體→粘接層（底層）→功能層（面層），現(xiàn)階段航空發(fā)動機(jī)粘接層通常采用鎳鋁或鎳鋁鎢，面層根據(jù)涂層服役工況進(jìn)行選擇。當(dāng)前航空發(fā)動機(jī)用封嚴(yán)涂層在選材時通常僅考慮涂層的使役性能，對涂層的耐腐蝕性能并未納入其中。基體與粘接層、粘接層與功能層之間的電勢對涂層的腐蝕速率有很大影響，優(yōu)化涂層基體 / 粘接層/ 功能層 3 者之間的電化學(xué)性能匹配，對熱噴涂封嚴(yán)涂層的耐腐蝕性能具有重要的意義。有研究表明，將Ni5Al 粘接層替換為 Ni20Al 粘結(jié)層，可以降低涂層體系電偶腐蝕過程中的電偶電位，從而抑制鋁基封嚴(yán)涂層的自發(fā)點蝕行為，降低涂層體系腐蝕速率。

    3 加強(qiáng)發(fā)動機(jī)存放期間管理

    航空發(fā)動機(jī)服役壽命的 90% 為停放狀態(tài)，發(fā)動機(jī)存放期間的防腐蝕管理就變得尤為重要。當(dāng)發(fā)動機(jī)在濕熱的海洋性氣候下停放時，盡量使發(fā)動機(jī)處于陰涼通風(fēng)的環(huán)境中，降低環(huán)境的濕度，降低涂層腐蝕速率。在發(fā)動機(jī)停放期間，對封嚴(yán)涂層表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)那逑淳S護(hù)，并將發(fā)動機(jī)置于通風(fēng)陰涼處，可以在一定程度上減緩已經(jīng)服役封嚴(yán)涂層的腐蝕速率。

    在航空發(fā)動機(jī)停放場所，存放封嚴(yán)涂層模擬試驗件，跟蹤發(fā)動機(jī)內(nèi)涂層腐蝕情況。在預(yù)測發(fā)動機(jī)內(nèi)涂層腐蝕情況的同時，又可以積累發(fā)動機(jī)存放期間涂層腐蝕數(shù)據(jù)，避免因未發(fā)現(xiàn)涂層腐蝕而引發(fā)飛行事故。

    4 建立熱噴涂涂層腐蝕性能測試方法

    豐富封嚴(yán)涂層性能檢測手段，完善封嚴(yán)涂層性能評價體系和選材體系，建立封嚴(yán)涂層模擬實際工況試驗裝置，是滿足熱噴涂工藝以及穩(wěn)定批量供應(yīng)和高質(zhì)量批量生產(chǎn)的必要條件。目前，金屬材料耐腐蝕性測試可依據(jù) ASTM G76 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而涂層的腐蝕性能測試標(biāo)準(zhǔn)及主要性能指標(biāo)尚未頒布。因涂層的多孔、多相、多層結(jié)構(gòu)，在腐蝕過程中呈現(xiàn)出多元性、復(fù)雜性等特點，不能與金屬材料測試標(biāo)準(zhǔn)混用，需編制涂層專用腐蝕測試標(biāo)準(zhǔn)。目前，航空行業(yè)部分研究院所及制造單位正在累積相應(yīng)數(shù)據(jù)，為編制涂層腐蝕性能測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行技術(shù)儲備。

    結(jié)束語

    隨著我國航空事業(yè)的飛速發(fā)展，尤其對艦載飛機(jī)、沿海飛機(jī)等需求激增，航空發(fā)動機(jī)零部件的海洋環(huán)境腐蝕損傷及其防護(hù)研究已成為熱點。需要涂層體系設(shè)計、涂層材料開發(fā)和工藝研制等領(lǐng)域的技術(shù)人員攜手攻關(guān)，通過大量嚴(yán)苛的試驗測試，完成耐海洋腐蝕熱噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層的開發(fā)。同時，對航空發(fā)動機(jī)封嚴(yán)涂層在海洋環(huán)境中腐蝕失效機(jī)理研究、服役壽命預(yù)測等方面均需加大科研力度，以便為設(shè)計部門提供可靠的數(shù)據(jù)支持及解決方案。另外，相關(guān)科研單位應(yīng)著手準(zhǔn)備建立涂層在海洋環(huán)境中腐蝕測試方法，完善封嚴(yán)涂層的海洋腐蝕性能測試技術(shù)，確保航空發(fā)動機(jī)封嚴(yán)涂層在海洋環(huán)境中服役壽命的設(shè)計要求。

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責(zé)任編輯：王元

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