新型多组元复合粉末等离子喷涂工艺研究

多组元复合粉末制备的可磨耗封严涂层在先进航空发动机中已经广泛应用。本文对新型多组元粉末制备可磨耗封严涂层的工艺进行了实验设计(DOE),结果表明等离子喷涂时的氩气流量和氢气流量对封严涂层硬度值影响最大,经过优化后涂层的硬度可达到5.4～5.5mm的压痕直径,满足先进航空发动机封严涂层维修要求。     

封严涂层的性能评价及研究进展

封严涂层系统可以改善飞机燃气涡轮发动机中旋转部件和固定部件之间的密封性,已成为提高发动机工作效率．延长发动机服役寿命的主要方法之一。本文阐述了目前封严涂层的应用及性能评价的研究进展．描述了未来封严涂层的发展趋势。     

发动机封严涂层的研究进展

本文介绍了航空发动机封严涂层的研究现状和发展方向，重点介绍了热喷涂封严涂层和高温陶瓷基封严涂层的研究进展以及封严涂层的研究方法。     

控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层

介绍了控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层的研究和应用，即等离子喷涂聚苯酯／铝硅封严涂层，氧－乙炔焰喷涂六方氮化硼陶瓷封严涂层，以及等离子喷涂钇稳氧化锆陶瓷封严涂层。此外还针对现有的问题提出了今后应开展的研究工作。     

一种可紫外光固化新型耐烧蚀涂料研究

基于巯基-乙烯基光引发逐步聚合机理,以含有乙烯基的液态硅氮烷预聚物与多元巯基化舍物为基体,辅以某种陶瓷微粉作为填料,研制了一种可紫外光固化的新型耐烧蚀涂料.采用等温差示光量热扫描(DPC)和测试固化度研究了填料添加量对紫外光固化放热行为和一次成型厚度的影响关系.结果表明:在制备0.5 mm厚的涂层时,填料添加量逐渐从0增至5%(质量分数,下同),固化放热峰值和放热量随添加量的增大而逐渐减小,且固化放热峰从尖锐逐渐趋于平坦,这是由于填料的加入使得涂料变为不透明,对入射的紫外光线产生了衍射/反射作用,从而减弱了辐照强度;填料添加量大于10%时,明显阻碍光固化反应的发生,涂层的一次成型厚度随填料添加量的增加而降低,可采用多次涂敷的措施解决涂层厚度不足的问题.当填料添加量从0增至20%,对于1.0 mm厚的涂层而言,在800℃质量保持率从61.2%增至73.5%.填料含量20%的涂层具有较为优异的耐烧蚀性能,氧-乙炔烧蚀的线烧蚀率为0.252 inm/s,质量烧蚀率为61.7 mg/s.     

轮缘封严气流与转子干涉损失机理的数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中轮缘封严气流与下游转子的干涉机理和损失机制,在不同封严流量下,针对轮缘封严气流对下游转子气动性能和流场分布的影响进行了数值模拟。结果表明,随着封严流量增加,涡轮级效率不断降低。在轮毂到10%叶高和30%～60%叶高,流量系数增加。封严气流主要通过在转子进口封严出流不同的分布和在通道输运过程中与转子通道二次流的交互作用对转子的气动性能产生影响。同时,封严气流引起下游转子气动性能的降低,存在三个损失机制:一是封严腔体摩擦泵效应减弱,增加了封严出流与主流之间周向速度差所引起的粘性剪切损失;二是不同分布的封严出流造成进气负攻角和堵塞效应,降低了转子的做功能力;三是不同分布的封严出流在输运过程中与转子通道二次流的交互作用,导致了二次流损失加剧。     

体积分数法测量几种转静系中的最小封严流量

为防止涡轮盘腔转静系统高温“燃气入侵”现象发生,需要确定最小封严流量.在不同的转速和不同出气间隙下,采用体积分数法分别对6种典型封严结构进行实验研究,以确定它们在不同工况下的最小封严流量并得出其变化规律:在固定的出气间隙值下,最小封严冷气流量随转盘转速的增加而增大,且几乎呈线性变化;对于固定的转速,随着出气间隙的增加,最小封严冷气流量也随之增加.拟合出不同封严结构的级间封严准则函数关系式,并探寻出封严效果最优的封严结构.      

涡轮盘轮缘封严结构参数对封严效率影响的实验研究

在航空发动机涡轮部件中,封严环的设计对涡轮盘腔的冷却封严有着至关重要的作用。使用CO_2浓度测量法针对静盘双齿动盘单齿封严环的结构参数(齿高和齿间距)变化对封严效率的影响进行了实验研究,目的在于获得封严结构的封严效率和最小封严流量的变化规律。实验在主流雷诺数Re_w=4.39×10~5,旋转雷诺数7.51×10~5Re_?1.30×10~6的范围内,测量了不同封严流量下的封严效率,以及不同结构参数下各工况的最小封严流量。结果表明:封严效率随封严流量和旋转雷诺数的增加而增加;最小封严流量随着齿间距的增大和齿高的减小而增大,G_c平均每增加7.5×10~(-4),所需的最小封严流量会增加8.0%,G_(ov)平均每增加1.12×10~(-3),可使最小封严流量减少4.7%,同时旋转雷诺数的变化对变齿间距下的最小封严流量有明显效果,而在变齿高情况下则没有影响。     

耐海洋环境腐蚀的航空发动机封严涂层技术及其发展

对耐海洋腐蚀热喷涂可磨耗封严涂层在航空发动机领域的应用进行了论述,重点介绍航空发动机用热喷涂涂层的海洋气氛电化学腐蚀机理及相应涂层结构与材料设计等防护方法,提出了未来航空发动机用耐海洋腐蚀热喷涂封严涂层的发展方向.     

多齿轮缘封严特性的实验

使用气体体积分数法得到了多齿轮缘封严的封严效率分布，获得封严效率随无量纲封严流量变化规律，最终拟合得出实验工况下的最小封严流量计算关联式（实验中主流雷诺数为1.42×105~3.20×105,旋转雷诺数为5.27×105~1.36×106）.通过对二氧化碳体积分数的测量结果表明:在盘腔内部高半径处封严效率较低，而低半径处封严效率一直处于较高的水平；封严效率随封严流量的变化与Owen封严效率方程有较好符合度，说明可以用封严效率方程对多齿轮缘封严进行预测，实验结果进一步扩展了其应用范围.      

可磨耗封严涂层的冲蚀磨损特性及模型

抗冲蚀性是可磨耗封严涂层最重要的性能。在自制的真空自由落砂试样旋转式冲蚀磨损试验机上对几种中温封严涂层的冲蚀磨损特性及机理进行了研究。实验结果表明,冲蚀失重与冲蚀时间具有良好的线性关系;在60°时冲蚀率最大;冲蚀率与冲蚀速度有幂函数关系,速度指数随冲蚀角度增大而增大;90°冲蚀时,涂层的冲蚀机理为冲击粒子在涂层表面冲击挤压,产生凹坑和凹坑边缘凸起的唇片,随后的冲蚀使唇片流失;粒子的不断冲击使表层金属相松动,导致呈颗粒状剥落。30°冲蚀时涂层的冲蚀机理为切削、犁削并有孔洞、非金属相贯通效应。在此基础上提出了封严涂层的冲蚀磨损模型。     

可磨耗封严涂层研究进展

可磨耗封严涂层是一种重要的热喷涂涂层,广泛应用于飞机发动机,对提高发动机效率、降低油耗进而提升发动机整体性能具有重要意义.本文介绍了可磨耗封严涂层材料的主要种类及其发展趋势,阐述了可磨耗封严涂层性能评价方法.     

激光重熔对喷射电沉积纳米结构镍涂层性能影响研究

采用喷射电沉积方法在45钢基体表面制备了纳米结构镍涂层,研究了激光重熔工艺对涂层性能的影响。用扫描电镜和X射线衍射仪对涂层表面形貌和晶粒尺寸进行分析,并对涂层做表面显微硬度测试和耐腐蚀性试验。结果表明:在优化的工艺参数下,喷射电沉积制备的镍涂层表面比较平整、结合较致密,由平均尺寸为13.7 nm的纳米晶颗粒组成,但涂层中仍存在一些孔隙及其它缺陷;经过激光重熔后,熔融区内的晶粒尺寸明显减小,涂层致密化程度有所提高并使涂层与基体由机械结合变为冶金结合,因此涂层的表面显微硬度和耐腐蚀性能得到明显的提高。     

激光快速制备Tix Aly-TiN复合涂层

采用激光气体氮化与同步送粉相结合的工艺方法,在Ti-6Al-4V合金表面原位合成了Tix Aly-TiN复合涂层。通过XRD,SEM,OM,EDS,显微硬度测试等手段研究了该复合涂层的物相组成、显微组织、元素分布及显微硬度。结果表明：涂层主要由TiN和Tix Aly 金属间化合物组成;沿激光熔深方向TiN含量下降;Tix Aly 金属间化合物含量上升;涂层无裂纹和孔隙,厚度较均匀,涂层与基体间形成良好的冶金结合;沿激光熔深方向N、Al元素的分布均匀;涂层显微硬度得到显著提高,且从涂层到基体逐渐降低。     

表面处理对热障涂层界面微结构的影响

采用真空电弧离子镀技术在单晶高温合金DD32上制备HY5金属粘结层,通过振动光饰、吹砂2种不同的表面处理方法改变粘结层表面状态,再在粘结层表面利用电子束物理气相沉积技术制备陶瓷层。研究了不同处理方法对粘结层表面状态的影响;测试了不同表面处理方法下制备的热障涂层的高温氧化性能并对比分析了它们的变化规律。此外,探讨了不同表面处理方法对界面元素成分及失效特征的影响。研究结果表明,通过表面处理可以去除粘结层表面较大的凸起,提高表面平整度,提高热障涂层抗氧化性能。与粗糙界面相比,光滑界面形成的TGO层均匀致密,Al含量高。经长时间的高温氧化后,粗糙界面的TGO层出现明显皱曲现象,陶瓷层开裂剥落。     

钛合金表面镍基喷焊涂层的组织和耐磨行为

采用火焰喷焊技术对钛合金表面进行耐磨改性,可以较好地解决实施工艺过程中的工程适应性问题,但对于任何一种表面耐磨处理技术,耐磨性能的改善和提高都是其最终目的。考察了钛合金表面上3种不同成分的镍基火焰喷焊涂层的组织和耐磨行为。研究发现,3种成分的镍基涂层都具有韧基体+硬质相的耐磨组织,其基体均为强韧性很好的镍基固溶体,但硬质相的差别较大。在相同试验条件下,100%的F102涂层、含4%La2O3的稀土复合涂层和含25%WC的N i-WC复合涂层的磨损失重仅为未处理钛合金的1/6,1/8和1/10。试验结果表明,采用火焰喷焊技术对钛合金表面进行耐磨处理,可以有效地改善表面的耐磨性。     

DSM11镍基高温合金表面三种涂层高温性能

DSM11镍基高温合金表面制备Al-Si、Al和Co-Al三种涂层,研究三种涂层在900℃下的涂盐（质量分数为5% NaCl+95% Na₂SO₄）热腐蚀性能和800℃下的疲劳性能。实验结果表明:在900℃热腐蚀200h后,Al-Si涂层和Co-Al涂层表面腐蚀区均形成了以Al₂O₃为主的连续且致密的氧化层,抑制热腐蚀反应的进行,具有一定的抗热腐蚀性能;Al涂层表面腐蚀区形成了混合型氧化层,热腐蚀反应会持续进行,抗热腐蚀性能较差。在800℃的疲劳实验后,Al-Si涂层表面生成大量的微裂纹,涂层容易发生开裂,进而引起合金试样快速断裂;Co-Al涂层和Al涂层的合金试样表现较好的抗高温疲劳性能。在高温合金的防护涂层使用中,要充分考虑到涂层的服役环境,对相关性能进行综合评价,选出最适合的防护涂层。      

高温合金纳米晶涂层的发展

高温合金纳米晶涂层是一种新的高温合金防护涂层体系.与目前通常采用的涂层不同,其成分与基体合金基本相同,有良好的抗氧化性能,且避免了传统涂层高温使用后在涂层与基体间因互扩散形成的脆性有害相.高温合金纳米晶涂层是在研究晶粒度对合金抗氧化性能影响的基础上发展起来的.本文综述了国内外对晶粒细化影响铁基合金、金属间化合物、高温合金等氧化性能的研究概况,重点介绍了高温合金溅射纳米晶涂层的研究结果.     

基于甲基三甲氧基硅烷/正硅酸乙酯的聚碳酸酯耐磨涂层

以甲基三甲氧基硅烷(MTMS)水解聚合产物作为主要成膜物质,引入正硅酸乙酯(TEOS)水解产物硅溶胶作为无机增强物,采用溶胶凝胶法在聚碳酸酯(PC)表面形成耐磨涂层。结果表明:PC表面形成了Si—O—Si的交联网络结构。通过测试耐磨实验前后光学性能的变化研究表面涂覆涂层的聚碳酸酯的耐磨性能与涂层组分之间的关系。当涂层原料MTMS和TEOS的摩尔比为2∶1时,聚碳酸酯的耐磨性能达到最优,500次摩擦后雾度为13.22%,为纯PC的56.21%。     

ZrB2基超高温陶瓷材料的抗热震性能

通过水淬法对原位合成与热压烧结制备的组分为ZrB2-20%(体积分数,下同)SiC-6.05%ZrC陶瓷材料的热震性能进行了研究。对比了不同热震温差、室温水(25℃)与沸水冷却环境、单次与五次循环热震次数以及高温氧化对原位合成试样抗热震性能的影响。计算了原位合成与热压烧结两种工艺制备的同组分试样的抗热震参数,结合试验结果探讨了材料的抗热震机理。结果表明,原位合成试样的抗热震性能优于热压烧结试样。