1.背景需求

    當前，軍用直升機或運輸機在執行任務時，經常會在沙漠、戰場前線等惡劣環境中起飛和降落。這些場合的空氣成分十分復雜，含有大量的砂塵等顆粒物質，它們隨空氣被吸入發動機后，就會給發動機的可靠性和安全性等帶來惡劣影響。

飛機在沙漠中起降

    而發動機作為飛機推進系統的核心部件，為飛機提供飛行所需的動力，一旦不能正常工作，將會給飛行帶來非常嚴重的后果。在結構上，航空發動機主要由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪以及尾噴管等組成。在工作過程中，壓氣機風扇從進氣口中吸入空氣，并對空氣進行逐級壓縮，以使其更好地與燃油混合，最后燃燒膨脹向后噴出，其反作用力就會推動飛機向前。

    在沙漠等惡劣環境中，空氣中含有大量的塵埃和沙粒，這些顆粒物質在高速氣流的作用下被吸入發動機到中，在流過零件表面時，其尖銳部分就會與零件表面發生碰撞和摩擦，由此對零件表面造成漸進性磨損，這就是沖蝕現象，這個過程有點類似于自然界中的風力侵蝕。風洞試驗表明，直徑大于30μm的砂粒能對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”，它們對于發動機的影響不可小覷。

    面對兵強馬壯、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對壓氣機葉片造成嚴重的沖蝕，尤其是近年來開始使用的比強度高、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，發動機的壽命將會受到嚴重影響。統計資料表明，飛機在普通環境中飛行時，發動機的壽命可以達到2000h，但在沙塵環境中飛行時，在沒有抗沖蝕涂層的情況下，壽命僅能持續100h。一旦發動機吸入沙塵，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加速沖蝕，反之沖蝕又加速腐蝕，以“多米諾效應”對發動機進行侵蝕，將會導致災難性后果。

    2.沖蝕機理

    砂塵顆粒對零件表面的沖蝕損傷機理如圖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存在較大差異。小攻角（或小角度）沖蝕時，砂塵在材料表面形成犁溝效應，磨損機制以微切削為主；而大攻角（接近垂直沖擊）沖蝕下，沖擊產生的微裂紋或者損傷會成為疲勞源，失效機制多以疲勞破壞為主。

    在實際的沖蝕過程中，大量砂塵顆粒呈現為無序的運動狀態，在這種情況下將出現多種沖蝕失效機理相互耦合的現象，十分復雜。

    因此，必須采取措施來減少發動機葉片的沖蝕磨損。雖然可以采用在進氣道前端安裝防塵裝置、更換葉片材料以及優化葉片型面設計等方法，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”就要隆重登場啦~有了它，就能讓發動機“刀槍不入，百毒不侵”了~

    3.抗沖蝕涂層技術的定義

    抗沖蝕涂層技術是提高壓氣機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葉片的沖蝕磨損量，與此同時，也減少了顆粒沖擊在材料表面形成的應力集中，進而降低疲勞源產生的可能性。

物理氣相沉積的基本原理

    抗沖蝕涂層常用的制備技術是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD），其基于等離子體技術，具有結合強度高、沉積溫度低、涂層制備材料豐富以及鍍層多層化等特點，已經成為極具發展潛力的涂層制備技術。

    相比于其他方法，抗沖蝕涂層技術更便于實施，可以在發動機葉片進行大修時，對損傷葉片修復后增加涂層鍍覆工藝，或在新出廠發動機壓氣機葉片上直接鍍覆涂層。可以看出，抗沖蝕涂層技術具有相當大的優勢。

    4.國外研究現狀

    對抗沖蝕涂層技術的需求由來已久。在海灣戰爭中，美軍直升機的發動機由于砂粒沖蝕的破壞，壽命僅為一般無沖蝕環境下發動機壽命的1/8。在阿富汗戰爭中，俄軍裝備的米-17直升機在砂塵環境中使用，曾發生多起壓氣機葉片裂紋、斷裂故障，導致發動機使用壽命大幅縮短，危害了飛行安全。

    因此，美、俄等國對砂塵沖蝕問題十分重視，迅速與美國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、制備技術與工藝、試驗考核等方面開展研究工作，現已將該技術成功用于幾十個發動機型號。

    目前，國外主要將二元抗沖蝕涂層用于航空發動機上，如法國幻影戰機一、二級壓氣機葉片使用TiN涂層，前蘇聯也使用TiN、CrC、ZrN涂層葉片，尤其將TiN涂層應用于米-24、米-28直升的發動擎螺旋槳及壓氣機轉子葉片上。美國則將TiN涂層用于CH-46E海上騎士運輸直升機的引擎螺旋槳葉片，使葉片壽命提高了3~4倍，英國也通過研究將沖蝕涂層用在“山貓”直升機壓氣機葉片上。

ER−7涂層降低葉片弦長和厚度的損失量

    MDS-PRAD、GE公司進一步改進抗沖蝕涂層，并將成分分別為TiN和TiAlN的ER-7和BlackGold陶瓷涂層用在直升機和運輸機發動機上。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構，最外層是堅硬、致密的鎳基金屬，在基體金屬和涂層之間設置有過渡層，看起來就像個“超級三明治”。該涂層同時具有較強的抗疲勞裂紋擴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動機上得到廣泛使用。BlackGold涂層是在ER?7基礎上發展起來的新型納米涂層，除了具備較強的抗沖擊磨損性能外，還具有較強的耐蝕性能，該涂層每年為美軍節省維修、換件和燃油經費約1 億美元。同時，國外科研人員也開展了多層涂層結構設計優化的研究，采用物理氣相沉積方法，將設計的2層、8層和32層等多種涂層結構的氮化鈦/鈦涂層制備于航空發動機葉片常用AM355 材料和鈦合金表面，并采用玻璃、石英、氧化鋁作為砂塵對涂層的沖蝕性能開展試驗研究，其中2層和32層結構的涂層分別對氧化鋁顆粒和玻璃顆粒的沖擊具有較好的防護效果。