前言
由于飞行发电机朝着大输出功率、高负载、效率高的方向蓬勃发展,人类对飞机材质也提出了愈来愈高的需求,但仅仅通过改善飞机材质特性,已经很难适应飞行发动机发展的需要,因此各种表面处理技术被广泛使用在飞行发电机中,并赋予了飞机材质的抗磨性能、抗蚀性、隔热系统,以及耐热氧化等独特的性能。热喷涂技术因其特有的优越性,作为现代航空发动机生产与维修过程中缺少的一种特殊表面处理技术,在国内得到了应用,并获得了可观的经济利益与社会效益。达到了增强发动机性能、降低维修成本、 延长寿命、提高安全指数。长引擎使用寿命的目的[1]。
一、热喷涂技术在零部件的应用
航空发动机的热喷涂镀层主要分为耐磨镀层、热障镀层和封严镀层等,在一台发电机内有上千种零件的三千多个表面都要使用热喷涂镀层。航空发动机零件的工况条件不良(高温、高速度、振动、高负荷),就会引起黏着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和机械疲劳损坏等各种形式的机械损坏,因而削弱了发动机性能、减少了发电机寿命。由于受材质特性、经济成本等各种因素的影响,还可以对部分零部件采用表面改性以达到耐磨需要。热喷涂工艺技术以其取料区域广泛、基体温度较低、表面变化小、涂层厚薄易于控制等优点,被广泛用于生产喷涂在航空发动机上的耐磨涂层。目前各种空气燃料涡轮发电机上都设有比较完善的气路封闭体系,它主要由介于轴承类型、鼓筒、转子叶片叶尖、压气机和涡轮引擎各级别之间的共四十至负六十处封严装置所组成。封严装置的设计好坏,直接影响发动机的推进速度与效率。使典型发电机的高压燃气涡轮叶尖间隙缩短至0.254mm,其涡轮效率则可提升至近百分之百。假设将涡轮径向间隙增加0.1mm,则单元耗油率将至少增加0.5%;而假设压气机的径向间隙加大0.076mm,则单元耗油率将大约提高百分之一。
由此可见,气路密封是提高工作效率和运行性能的途径而已。另外,如果压气机的运行间隙过大,它的气动特点就可以在发电机增加时也会受到损害,从而形成喘振。所以,为了提高发电机的运行效能、寿命和降低油耗,首先应该减小转动和静子相互之间的运行空隙。如空隙过小,则对运行中的动、静件相互之间有干扰磨擦的危害,因为这样不但会损坏机件,而且对于某些钦合金机件来说,其钦合金零部件和相邻的钦合金零部件形成钦一钦磨擦,而有火灾的危险性。所以希望有一种既能减小空隙又能减轻干扰磨擦的堵严圈,而热喷涂涂层就以其优势,而变成了封严圈生产的最理想选择[2]。
二、热喷涂技术在维修中的应用
热喷涂工艺在航空发动机修理上使用的重要目的是:修复尺寸,复原涂装,并喷涂抗磨性能、耐热、耐蚀、抗冲击负荷、减摩性等涂料,使进行过修理的飞机零部件修复或改善性能、延长使用寿命。热喷涂技术在国外的航业发动机维修中,被普遍地运用在风扇叶、涡轮叶片等配件上,将损坏后的零部件迅速恢复,从而起到了提升引擎效能。
2.1耐磨涂层材料
在机械工程领域，最常见的一种故障形式就是因为机器零件因为长时间的运行而出现磨损所导致的。而降低这种机械故障的方法就是及时更换零件或者增强零件的耐磨性，但经常更换零件势必会造成更大的人力以及财力资源的浪费。耐磨材料的出现极大的满足了人们的需求，降低了物料对设备部件冲刷造成的磨损。对航空发动机的部件来说，其耐磨涂层材料一定满足熔点高、硬度高、抗冲击磨损性能好等要求，采用热喷涂技术得到的耐磨涂层都具有优良的耐磨性能。
2.2封严涂层材料
对航空发动机来说，转子之间的间隙对其工作效率也有极大的影响。较小的间隙不仅能大大提高航空发动机的效率，降低油耗，同时还有效改善了发动机的安全性能，因此在航空发动机中使用了大量的封严涂层材料。为了满足当前航空发动机的运行要求，航空发动机使用的封严涂层材料需要具备高强度及抵抗气体冲击力的能力，一般为金属和非金属复合材料，截止目前已有20多种可行喷涂材料，陶瓷材料和纳米材料等方面的热喷涂材料研究也在进行中[3]。
2.3高温防护涂层材料
航空发动机在运行过程中会产生大量的热量，为了防止发动机部件出现因高温氧化等现象，需要在其表面喷涂高温防护材料。根据运行过程中的实际需求，所涂抹的高温防护涂层除了具备基本的抗高温以及抗氧化性之外，还需要这种涂层材料的物质在高温条件下不出现分解并且和被涂抹机体表面之间不发生任何反应。
2.4尺寸修复涂层材料
在航空发动机的运行过程中，在其零件表面涂抹相应材料，只是为了有效减少磨损或者其他损伤的概率，并不能直接杜绝这种损伤情况的发生。因此航空发动机经过长时间的运行，难免会有部分零件会出现磨损或者其他损伤，而这些损伤会改变原本零件尺寸，影响机器的正常运行，因此修复涂层材料的研究也极其重要。另外，根据实际修复过程的不同还需要采用相应科学合理的喷涂技术以及喷涂工艺。
三、 国内外应用
美国NASA 有成熟的高温封严涂层可磨耗性能试验系统，开发的MCrAlY 基合金型高温可磨耗封严涂层可提高涡轮机匣的寿命。国内发动机高温部件用超高温热障涂层、高温抗氧化涂层技术及可磨耗封严涂层技术近年来得到了快速发展，取得了很多实验室成果，但与国外先进技术相比，仍有很大差距，主要是热障涂层、高温抗氧化涂层、高温可磨耗封严涂层可靠性、使用寿命不足。近年来国内多家大学、科研院所及发动机主机厂开发了多种稀土锆酸盐及稀土铈酸盐类超高温热障涂层，微观上大多呈烧绿石结构或萤石结构，其导热系数明显低于Y2O3-ZrO2 传统热障涂层，但其关键技术指标——抗热冲击性能还有待提高。
虽然国内高温封严涂层早已实现工程化应用，但没有建立起高温封严涂层可磨耗性能及可靠性评价标准体系，而涂层发动机试车考核成本高昂，时间漫长、致使高温可磨耗封严涂层新材料及其涂层制备新工艺研究进展缓慢，涂层使用寿命仍然明显低于国外同类产品。在飞机耐磨涂层方面，近年来最大的进展是飞机起落架广泛采用超音速火焰喷涂WC-Co-Cr 涂层代替传统硬铬电镀层，耐磨性及使用寿命大幅增长，并消除了电镀污染。美国纳米集团（USNANO GROUP，INC.）开发的纳米碳化钴、纳米氧化铝钛涂层推广应用于航空轴类、环类部件，用于耐磨及篦齿封严，涂层具备高硬度、高韧性、高抗弯强度，其耐磨性能远超传统同类涂层，应用前景十分广阔。
四、结语
热喷涂技术作为一项先进的表面工程技术，在航空动力制造和维修中正发挥着重要的作用，在国内航空动力维修中的应用与国外先进技术相比有一定的差距，但是随着技术的进步，国内航空动力维修工程重视程度的增加，热喷涂技术必将发挥更重要的作用。
参考文献：
[1]华绍春,王汉功,汪刘应,张武,刘顾.热喷涂技术的研究进展[J].金属热处理,2008(05):82-87.DOI:10.13251/j.issn.0254-6051.2008.05.018.
[2]王永兵,刘湘,祁文军,李志国.热喷涂技术的发展和应用[J].电镀与涂饰,2007(07):52-55.DOI:10.19289/j.1004-227x.2007.07.016.
[3]徐滨士,李长久,刘世参,马世宁.表面工程与热喷涂技术及其发展[J].中国表面工程,1998(01):3-9+49.
