熱噴涂和物理氣相沉積是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)使用極其廣泛的表面工程技術(shù)，被用于發(fā)動(dòng)機(jī)耐磨、抗氧化腐蝕、可磨耗封嚴(yán)、熱障、防粘接、抗微振磨損、阻燃、隱身及零件尺寸修復(fù)等功能涂層的生產(chǎn)。我國(guó)很多涂層技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有很大差距，涂層殘余應(yīng)力、組織缺陷及厚度等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)基本上沒(méi)有得到應(yīng)用。國(guó)外壓氣機(jī)和渦輪氣路封嚴(yán)技術(shù)在近幾年得到了迅速發(fā)展，相應(yīng)的刷式封嚴(yán)耐磨涂層、壓氣機(jī)鈦合金轉(zhuǎn)子葉片葉尖復(fù)合鍍耐磨涂層等新技術(shù)得到了應(yīng)用，我國(guó)則剛開展進(jìn)行涂層材料和制備技術(shù)研究。
為了增強(qiáng)海防實(shí)力，我國(guó)投入使用了航空母艦，因此對(duì)艦載機(jī)需求增加。海洋環(huán)境下服役艦載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件容易受高濕、鹽霧以及微生物等形式的化學(xué)腐蝕，壽命大幅度縮短，維護(hù)費(fèi)用和大修成本劇增，因此對(duì)三防涂層技術(shù)需求緊迫，需要國(guó)家增加投入，盡快進(jìn)行兼具耐海洋腐蝕性能的可磨耗封嚴(yán)、耐磨涂層材料研制和噴涂工藝研究。另外國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的發(fā)動(dòng)機(jī)在一定翻修期服役后要返廠大修，因此發(fā)動(dòng)機(jī)零部件修理技術(shù)，尤其是表面涂層修復(fù)和尺寸修復(fù)將成為大修生產(chǎn)的關(guān)鍵和瓶頸技術(shù)。其中冷噴涂（又稱動(dòng)力噴涂）技術(shù)具有避免噴涂粉末氧化，材料成分、晶體相和晶粒尺寸不變，涂層致密，且可以噴涂厚涂層等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)大修生產(chǎn)中早已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。
涂層殘余應(yīng)力經(jīng)常導(dǎo)致涂層開裂和剝落，因此涂層殘余應(yīng)力測(cè)試和模擬計(jì)算技術(shù)研究勢(shì)在必行[1]。涂層無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，包括涂層孔隙、分層和裂紋檢測(cè)以及熱障涂層厚度在線檢測(cè)技術(shù)，在國(guó)外發(fā)動(dòng)機(jī)涂層生產(chǎn)中已得到工程化應(yīng)用，但國(guó)內(nèi)只有大連理工等高校進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，仍需要發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)聯(lián)合科研院所開展無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的工程應(yīng)用研究。
目前，國(guó)內(nèi)已有很多關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層及其制備技術(shù)的綜述文獻(xiàn)，例如文獻(xiàn)[2-3]，因此本文重點(diǎn)論述我國(guó)尚未應(yīng)用、亟待研制的發(fā)動(dòng)機(jī)隱身涂層及壓氣機(jī)葉片抗沖蝕涂層、鈦合金轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣防鈦火涂層的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展，以促進(jìn)我國(guó)新型隱身軍機(jī)的涂層技術(shù)研究和應(yīng)用。
飛機(jī)在低空飛行、起飛和降落過(guò)程中，空氣中的鹽粒、火山灰、雪和沙粒等在高速氣流作用下不可避免地被吸入渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)[4]。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[5]，大顆粒甚至能使葉片變形，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能或?qū)е缕涫6]。尤其近年來(lái)開始使用的高比強(qiáng)度、綜合性能和耐蝕性好的鈦合金壓氣機(jī)葉片，耐沖蝕性能很差，更需要解決沖蝕磨損問(wèn)題。抗沖蝕涂層是解決壓氣機(jī)葉片沖蝕損傷的最有效手段。
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 直升發(fā)動(dòng)機(jī)引擎螺旋槳及壓氣機(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(guò)研究將耐沖蝕涂層用在“山貓”直升機(jī)壓氣機(jī)葉片上。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ER7 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。ER7 涂層結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該涂層為軟／硬層交替排列結(jié)構(gòu)，并以過(guò)渡層與基體結(jié)合。與單層涂層相比，ER7 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。
國(guó)內(nèi)外對(duì)多元合金化TiAlN、ZrAlN 等涂層、電弧鍍等技術(shù)制備的ZrN/TiN 多層納米涂層以及復(fù)合的Al/AlN、Ti/TiN、Cr/CrN 涂層等進(jìn)行了大量研究[7-9]。圖2[10] 為典型Cr/CrN交替的涂層顯微組織，這種復(fù)合方式明顯改善了涂層抗沖蝕性能。Cr/CrN 抗沖蝕性能與Cr/CrN的層厚比值Q 密切相關(guān)[10]，在Q為0.81 時(shí)涂層抗沖蝕性能最佳（圖3[10]）。復(fù)合涂層內(nèi)的韌性相承受較多的塑性變形，硬質(zhì)脆性相則發(fā)揮增強(qiáng)涂層抗磨損性能的作用[7]。其他研究結(jié)果說(shuō)明，不只復(fù)合方式能提高耐沖蝕性能[4,11]，向TiN 涂層中添加鋁的多元合金化也能增強(qiáng)涂層抗沖蝕性能[12]。
國(guó)內(nèi)對(duì)壓氣機(jī)葉片抗沖蝕涂層做了一些應(yīng)用研究，如渦噴7 發(fā)動(dòng)機(jī)1~6 級(jí)壓氣機(jī)葉片采用低溫滲鋁-硅酸鹽復(fù)合涂層后，對(duì)葉片防腐蝕效果明顯。中國(guó)南方航空動(dòng)力使用的TiN 沉積涂層也對(duì)壓氣機(jī)葉片起到了較好的防護(hù)作用[13]�？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)能在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用的抗沖蝕涂層很少，還不能充分滿足設(shè)計(jì)的技術(shù)需求。
抗沖蝕涂層脆性較大，增加了合金表面裂紋萌生的傾向，從而降低合金的抗疲勞性能，是亟待解決的技術(shù)難題。另外，耐沖蝕涂層在干燥性空氣中對(duì)壓氣機(jī)葉片具有很好的抗沖蝕防護(hù)作用，但在海洋環(huán)境卻可能受到嚴(yán)重的潮濕或鹽霧腐蝕破壞，使葉片壽命縮短，給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)安全隱患。這需要在二元陶瓷涂層基礎(chǔ)上開展合金化多元涂層及復(fù)合涂層研究，即向二元陶瓷涂層中加入Al、Cr、Si、B、Hf 等元素，以提高涂層耐海洋腐蝕性能，目前這些工作還處在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段[14]，仍有很多工作要做。
鈦合金因其比強(qiáng)度高、密度小、熔點(diǎn)高、抗腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片、壓氣機(jī)機(jī)匣和葉片等部件，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比。然而隨著飛機(jī)性能的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金零部件，特別是高壓壓氣機(jī)的工作溫度、壓強(qiáng)和氣流速度越來(lái)越高，加上對(duì)磨件之間的摩擦，常導(dǎo)致鈦合金燃燒。20 世紀(jì)70年代以來(lái)，僅美國(guó)和前蘇聯(lián)就分別發(fā)生過(guò)一百多和三十余起發(fā)動(dòng)機(jī)鈦火事故。其中，由高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片引起鈦火事故的比例高達(dá)22.5%，渦輪故障則達(dá)20%，嚴(yán)重制約了鈦合金在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[15]，因此防鈦火技術(shù)成為各國(guó)急需解決的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)外主要采取改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、阻燃鈦合金和阻燃（或防鈦火）涂層技術(shù)防止鈦合金燃燒[16]。美國(guó)曾經(jīng)在F119 戰(zhàn)機(jī)上應(yīng)用阻燃鈦合金，但合金成本過(guò)高，阻燃涂層則是工藝簡(jiǎn)單、成本低、可維護(hù)且有效的阻燃技術(shù)。在容易摩擦著火的鈦合金表面涂覆阻燃涂層，減少摩擦熱量積累和傳導(dǎo)，以延緩或阻止鈦合金燃燒。要求涂層有良好的可磨耗性、低摩擦系數(shù)以及抗氧化腐蝕性能、低燃燒熱值、高光潔度。鈦合金機(jī)匣涂層還應(yīng)具備封嚴(yán)功能，且與對(duì)磨葉片合金有較好的兼容性。
NASA 曾通過(guò)對(duì)十幾種阻燃涂層試驗(yàn)確定了幾種具有阻燃和抗氧化性能的涂層材料[17]。針對(duì)EJ-200HP 壓氣機(jī)機(jī)匣的鈦火問(wèn)題，英國(guó)R·R 公司、意大利FAIT 公司、德國(guó)MTU公司及西班牙ITP 公司聯(lián)合研究，確定采用氧化鋯隔熱底層和含膨潤(rùn)土可磨耗封嚴(yán)面層的涂層結(jié)構(gòu)來(lái)提高鈦合金機(jī)匣的阻燃抗氧化性能，并在相應(yīng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖部位涂覆立方氮化硼強(qiáng)化的耐磨涂層，大大減少了鈦火事故。CFM-56 發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)鈦合金機(jī)匣內(nèi)環(huán)裝配了兼具密封和防鈦火作用的鋼襯套和防火隔圈，該隔圈上涂覆鋁青銅可磨耗涂層。某大修機(jī)的壓氣機(jī)機(jī)匣為BT3-1 變形鈦合金，因此在機(jī)匣內(nèi)側(cè)等離子噴涂含有氮化硼的防護(hù)涂層。國(guó)內(nèi)中航工業(yè)西航和北京礦冶研究總院采用熱噴涂技術(shù)制備阻燃涂層，并初見(jiàn)成效。
在阻燃性能測(cè)試技術(shù)方面，NASA 研制成模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工況的燃燒試驗(yàn)臺(tái)，可進(jìn)行不同氣流溫度、壓力與速度條件下的燃燒試驗(yàn)[18]。國(guó)內(nèi)北京礦冶研究總院、北京航材院、海軍航空工程學(xué)院、太原理工等單位對(duì)鈦摩擦著火、金屬液滴、激光常溫常壓下點(diǎn)燃等阻燃性能檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。總體上，我國(guó)在防鈦火涂層成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層制備以及防鈦火性能測(cè)試技術(shù)等方面取得了一些進(jìn)展，但仍需要很多研究工作以實(shí)現(xiàn)涂層的應(yīng)用。
從已有文獻(xiàn)來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外在阻燃涂層技術(shù)方面的研究還不是很多，尤其是我國(guó)在近幾年為了提高新機(jī)推重比使用鈦合金零部件，才真正投入經(jīng)費(fèi)進(jìn)行阻燃涂層工程應(yīng)用研究，因此基礎(chǔ)還很薄弱，今后還需要在阻燃涂層的材料、結(jié)構(gòu)和制備、涂層阻燃性能測(cè)試等方面做很多工作，以加快阻燃涂層技術(shù)在新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)程。
現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中雷達(dá)等探測(cè)技術(shù)日趨先進(jìn)，為增加軍機(jī)的隱蔽性和戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，保障戰(zhàn)斗力，二戰(zhàn)以后美、蘇、英、法等國(guó)都投入巨資進(jìn)行隱身技術(shù)研究，并取得很多研究和實(shí)際應(yīng)用成果。隱身涂層由于使用方便、成本低、操作方便、不受零件幾何形狀限制，成為近年來(lái)發(fā)展最快的隱身技術(shù)研究領(lǐng)域。
對(duì)于新型號(hào)隱身軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，需要進(jìn)行紅外和雷達(dá)隱身技術(shù)研究。紅外隱身涂層即是降低目標(biāo)自身熱輻射及其與環(huán)境之間的紅外輻射差異，以增加敵方探測(cè)難度，其技術(shù)途徑是以紅外隱身涂層和低發(fā)射率薄膜等形式控制表面溫度或降低輻射發(fā)射率。紅外隱身涂層由粘合劑和填料組成，填料一般由金屬、著色和半導(dǎo)體3 種顏料組成，起到反射和降低發(fā)射率的作用。粘合劑則有2 個(gè)基本性能：一是保護(hù)顏料，在使用過(guò)程中要使其紅外特性保持不變；二是在所選光譜范圍內(nèi)對(duì)紅外透明。目前紅外隱身涂層的缺點(diǎn)是涂層厚、面密度大，且受工況影響。粘合劑的紅外波段高透明或低吸收性能以及良好的物理性能，是紅外隱身涂層的一大技術(shù)難點(diǎn)[19-20]。
雷達(dá)吸波材料是利用其特殊的電磁特性將入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱能，以減少回波能量，從而達(dá)到隱身的目的。相應(yīng)地，雷達(dá)吸波涂層則應(yīng)對(duì)相應(yīng)波段的雷達(dá)波具有低反射率，反射衰減大小是其雷達(dá)隱身性能的重要指標(biāo)。實(shí)際應(yīng)用中要求涂層頻帶盡量寬，涂層盡量薄，材料盡量輕，雷達(dá)吸波能量最強(qiáng)，即具有�。ㄍ繉樱挘l）、強(qiáng)（吸收）的效果。國(guó)外較早就研究了SiC 和Si3N4 增強(qiáng)的耐高溫吸波復(fù)合材料，如美國(guó)研制的SiC 纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷復(fù)合材料即使在高溫下也具有吸波性能。美國(guó)洛克希德·馬丁公司將陶瓷基材料作為吸波材料用在F117 隱身飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的尾噴管后沿，能夠承受1093℃的高溫。但由于該材料成型溫度高、厚度大且難以控制等因素存在，在一定程度上限制了它的推廣應(yīng)用。
近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家在提高隱身涂料耐高溫性能，探索新型顏料和粘接劑等方面作了大量研究，實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用。如美國(guó)F-22、F-117A、B-2以及法國(guó)幻影-2000 戰(zhàn)斗機(jī)均采用了隱身涂層技術(shù)，隱身飛機(jī)生產(chǎn)商洛克希德·馬丁公司也將其最新隱身技術(shù)研究成果用于F-35 戰(zhàn)機(jī)上。美陸軍裝備研究司令部、英國(guó)BTRRLC公司、澳大利亞國(guó)防科技組織的材料研究室、德國(guó)PUSH GUNTER 以及瑞典巴拉居達(dá)公司均研制成功第二代隱身涂層技術(shù)，有些涂層兼容紅外、毫米波和可見(jiàn)光隱身功能。NorthropGrumman 公司研制的隱身涂層進(jìn)一步降低了美空軍B-2 轟炸機(jī)的雷達(dá)波反射率，增強(qiáng)了對(duì)低頻雷達(dá)反偵探能力，且使隱身零部件的維護(hù)時(shí)間減少了一半多[21]，該涂層材料為代號(hào)MagRAM 的鐵填充彈性橡膠材料。目前隱形戰(zhàn)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片、加力燃燒室內(nèi)錐、尾噴管調(diào)節(jié)片等零部件工作溫度高，需要紅外隱身技術(shù)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)靜子葉片、隔熱屏及噴管的外調(diào)節(jié)片和彈性片等零部件，則需要雷達(dá)波隱身技術(shù)。隱身涂層和薄膜的制備技術(shù)包括磁控濺射、涂料噴涂加固化等工藝，熱噴涂吸波涂層是近年來(lái)出現(xiàn)的新技術(shù)，主要被用于高溫陶瓷和鐵氧體吸波涂層。
我國(guó)在863計(jì)劃中曾設(shè)專門的紅外隱身課題，但研究成果未得到實(shí)際應(yīng)用[22]。北京工大、南航、西北工大、國(guó)防科大和長(zhǎng)春應(yīng)化所等單位對(duì)耐高溫吸波及紅外隱身材料和涂層、薄膜等技術(shù)開展了研究，發(fā)動(dòng)機(jī)搭載試驗(yàn)證明一些涂層有良好的隱身效果，但實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還有很多工程化問(wèn)題要解決，而且目前我國(guó)的高溫吸波涂層低頻隱身性能差，高溫使用性能、與基體的匹配性等方面都有待于進(jìn)一步提高。
總之，國(guó)外很多隱身涂層技術(shù)已得到工程使用，然而目前使用的吸波涂層存在很多問(wèn)題，大多只能在單一頻帶使用，吸波能力較低，涂層過(guò)厚，面密度大，涂層殘余應(yīng)力和較低的抗氧化腐蝕性能也常影響涂層的使用壽命。隨著隱身軍機(jī)發(fā)展，對(duì)兩種或多種隱身性能兼容的涂層提出了更高要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，熱噴涂涂層厚度增加使殘余應(yīng)力增大，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋和翹起等問(wèn)題[23] 也需要解決。
今后還要圍繞隱身材料和涂層制備技術(shù)及其工程化應(yīng)用等方面開展許多研究工作。研制新型有較強(qiáng)吸波能力和低紅外發(fā)射率隱身材料,減小隱身涂層厚度[24-25]，開發(fā)抗氧化、耐海洋或濕熱腐蝕隱身材料，以提高涂層的使用壽命[26]。研究寬頻帶吸波材料，實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身；通過(guò)多層雷達(dá)吸波材料研制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善涂層吸波效果并展寬頻帶，研制適合于在噴管調(diào)節(jié)片和加力燃燒室內(nèi)錐等發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上使用的雷達(dá)與紅外隱身兼容的材料和涂層制備技術(shù)。此外，采用新型工藝提高涂層耐高溫性能，延長(zhǎng)吸波涂層的使用壽命，也是今后急需解決的吸波隱身技術(shù)問(wèn)題[27]。
（1）抗沖蝕涂層是解決壓氣機(jī)葉片沖蝕損傷的最有效手段，今后還需要解決抗沖蝕涂層脆性難題，開展多元合金化涂層及復(fù)合涂層研究，以提高耐沖蝕涂層的耐海洋腐蝕性能。
（2）我國(guó)阻燃涂層技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，還需要在阻燃涂層的材料、結(jié)構(gòu)和制備、涂層阻燃性能測(cè)試技術(shù)等方面開展研究，以實(shí)現(xiàn)阻燃涂層技術(shù)在新機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。
（3）針對(duì)新型隱身軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，研制有較強(qiáng)吸波能力和低紅外發(fā)射率隱身材料, 減小隱身涂層厚度，開發(fā)抗氧化、耐海洋或濕熱腐蝕隱身材料，以提高涂層使用壽命。
（4）研究寬頻帶和多層的雷達(dá)吸波材料，以改善涂層吸波效果。實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身技術(shù)應(yīng)用，重點(diǎn)研究雷達(dá)波與紅外兼容隱身涂層技術(shù)，為未來(lái)新型隱身戰(zhàn)機(jī)研制做技術(shù)儲(chǔ)備。
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