0 前言

    隨著航空工業(yè)對(duì)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、推重比及燃油效率的要求越來越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)口溫度和燃?xì)鈮毫χ饾u增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)及渦輪葉片部分服役環(huán)境更加惡劣，特別是葉尖部分。在這種惡劣環(huán)境下，要求所使用的葉片金屬材料（ 鎳基、鈷基高溫合金，單晶高溫合金，鈦合金等） 既要有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能（ 蠕變性能、持久性能、疲勞性能、韌塑性能等） ，又要具備良好的抗熱腐蝕、抗氧化、抗磨損等性能，然而這兩者難以兼顧。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高溫性能，科研工作者一方面致力于提高高溫合金的耐熱性能，如目前已研制出的第四代鎳基單晶高溫合金承溫能力已達(dá)1180 ℃； 同時(shí)采用先進(jìn)的氣膜冷卻技術(shù)，如葉片冷卻氣膜設(shè)計(jì)及制造工藝的改進(jìn)，能使葉片表面溫度降低300～500 ℃。據(jù)報(bào)道，目前已發(fā)展到第五代高溫合金，每代高溫合金的提升溫度為30 ℃，提溫速度緩慢，顯然不能解決這2 個(gè)問題。因此，在另一方面，科研工作者致力于研究高溫合金的防護(hù)涂層。

    近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)葉片防護(hù)涂層進(jìn)行了深入研究，獨(dú)特設(shè)計(jì)理念的新型葉片高溫防護(hù)涂層的報(bào)道越來越多，但是對(duì)于葉尖部分的防護(hù)涂層報(bào)道較少。涂覆在葉片葉尖表面的封嚴(yán)涂層材料，特別是應(yīng)用于800 ℃以上高溫段的葉片，承受的工作應(yīng)力和溫度較高，同時(shí)應(yīng)力和溫度的變化也比較頻繁和劇烈，還存在腐蝕和磨損問題，對(duì)磨的氧化鋯基、MCrAlY 基可磨耗封嚴(yán)涂層較低溫段可磨耗封嚴(yán)涂層硬度相對(duì)較高、潤(rùn)滑性相對(duì)較差。葉片葉尖的服役環(huán)境較葉身要惡劣得多，對(duì)材料的綜合使用性能要求也要高得多，葉尖涂層還需做進(jìn)一步的深入研究。本文分析了葉片葉尖損傷的原因，在此基礎(chǔ)上總結(jié)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉尖高溫防護(hù)涂層的性能要求。對(duì)國(guó)內(nèi)外多種設(shè)計(jì)理念的葉尖防護(hù)涂層進(jìn)行了闡述，綜述了葉尖涂層最新研究進(jìn)展，提出了目前葉片高溫防護(hù)涂層存在的問題并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。

    1 葉尖失效方式及性能要求

    1.1 失效分析

    1.1.1 裂紋及磨損

    葉尖部分的磨損及裂紋是其常見的失效形式之一，如圖1 和圖2 分別是某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖裂紋顯微形貌和磨損形貌。柴志剛等對(duì)某渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)I級(jí)渦輪葉片葉尖涂層剝落進(jìn)行了失效分析。經(jīng)宏觀顯微鏡和電子顯微鏡觀察后，發(fā)現(xiàn)有2 片葉片葉尖排氣邊涂層剝落，剝落厚度最高達(dá)1 mm。葉盆側(cè)涂層基本剝落，斷口整齊，殘留少量涂層且邊緣粗糙。有的葉尖涂層雖然未剝落，但是涂層局部區(qū)域鼓起，有裂紋產(chǎn)生。初步分析，涂層剝落主要由燒蝕引起，葉片工作時(shí)的超溫現(xiàn)象導(dǎo)致了葉尖處基體γ‘相粗化。根本原因是發(fā)動(dòng)機(jī)在大修試車過程中T3 溫度超溫。此外，葉片葉尖會(huì)與機(jī)匣發(fā)生瞬時(shí)摩擦，導(dǎo)致涂層的磨損。史文軍等分析某機(jī)型低壓壓氣機(jī)葉尖摩擦故障時(shí)發(fā)現(xiàn)，零件制造、發(fā)動(dòng)機(jī)工作及環(huán)境因數(shù)的影響會(huì)導(dǎo)致機(jī)匣產(chǎn)生局部變形，引起葉片和機(jī)匣之間的間距減小，導(dǎo)致機(jī)匣和葉尖發(fā)生瞬時(shí)摩擦使葉尖受損。

    1.1.2 熱腐蝕和氧化

    熱腐蝕和氧化也是葉尖受損的重要原因。徐建等發(fā)現(xiàn)葉尖表層材料的腐蝕和氧化會(huì)導(dǎo)致葉尖裂紋的形成。在分析某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片葉尖裂紋產(chǎn)生原因時(shí)，指出葉尖裂紋的形成與擴(kuò)展是環(huán)境因素和熱應(yīng)力復(fù)合作用的結(jié)果，先產(chǎn)生腐蝕后形成裂紋： 首先涂層表面發(fā)生衰變并形成局部腐蝕坑，在熱循環(huán)過程中起缺口效應(yīng)，形成微裂紋； 裂紋出現(xiàn)后，氧化物和碳化物等腐蝕產(chǎn)物在微裂紋內(nèi)部形成并如“釘子”一樣深入到金屬內(nèi)部，形成“釘扎效應(yīng)”；在循環(huán)應(yīng)變下對(duì)裂紋尖端處造成附加應(yīng)力，使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。這一熱腐蝕過程使裂紋面氧化增寬并且材料晶界腐蝕為分叉裂紋提供核心，并在熱應(yīng)力作用下擴(kuò)展。

    1.1.3 擴(kuò)散退化

    擴(kuò)散會(huì)引起涂層的退化，特別是對(duì)于高溫下工作的葉尖涂層，涂層和涂層之間、涂層和基體之間會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，最終導(dǎo)致涂層失效。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層為例，如圖3 為1 種熱障涂層及其在1 100 ℃高溫下經(jīng)100 h 氧化后的截面形貌。金屬粘結(jié)層表面有1 層熱氧化生長(zhǎng)層（ TGO） 產(chǎn)生，并且金屬粘結(jié)層和基體金屬之間的互擴(kuò)散導(dǎo)致基體內(nèi)部形成了二次析出相（ SＲZ） 。

    1.2 葉尖防護(hù)涂層性能要求

    葉尖涂層主要有2 個(gè)作用： （ 1） 作為封嚴(yán)涂層，減少葉片和機(jī)匣之間的間隙，提高氣密性，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的效率； （ 2） 保護(hù)葉片基材。根據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉尖失效原因的分析，對(duì)葉尖涂層提出以下性能要求。

    1.2.1 優(yōu)良的抗熱腐蝕和抗高溫氧化性

    航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和壓氣機(jī)葉片通常使用力學(xué)性能優(yōu)良的高溫合金，如鎳基高溫合金、鈷基高溫合金等。雖然葉片基材在高溫高壓下具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但是易于受到高溫氣體的氧化作用和嚴(yán)重的熱腐蝕。一旦高溫合金暴露于此種惡劣的環(huán)境下，葉片極易受損失效。因此，在高溫環(huán)境下，要求葉尖表面能形成完整而致密的保護(hù)膜，使高溫合金基體免受高溫氧化和腐蝕。

    1.2.2 界面穩(wěn)定性

    （ 1） 在高溫下，薄膜和基體的力學(xué)性能以及界面狀態(tài)都會(huì)發(fā)生一定的變化，其匹配性必須得到充分考慮。

    涂層的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用過程中不易發(fā)生相變退化，并且在與基體的界面處不形成有害相（ TCP 相） 。

    （ 2） 高溫防護(hù)涂層與基材之間的互擴(kuò)散可導(dǎo)致涂層退化以及基材中脆性相的產(chǎn)生，從而造成涂層/合金體系高溫抗氧化性能和力學(xué)性能的下降。將傳統(tǒng)的高溫防護(hù)涂層如Pt 改性鋁化物涂層或MCrAlY 包覆涂層應(yīng)用于鎳基單晶高溫合金上時(shí)，涂層和基體發(fā)生了互擴(kuò)散，在基體/涂層界面生成了二次析出相（ SＲZ） 有害層。所以防護(hù)涂層應(yīng)具有擴(kuò)散阻擋性能。

    1.2.3 高溫耐磨性

    封嚴(yán)涂層技術(shù)是提升發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要?dú)饴贩鈬?yán)技術(shù)之一。為了保證渦輪效率，需要減小葉尖和機(jī)匣之間的間隙，一般在機(jī)匣內(nèi)表面和葉尖部分都制備了封嚴(yán)涂層。由于飛行中瞬態(tài)載荷或機(jī)動(dòng)過載等原因，通常會(huì)引起渦輪葉尖徑向間隙驟然縮小，葉尖與機(jī)匣接觸，發(fā)生干涉磨擦。為了防止涂層磨損失效而導(dǎo)致間隙增大，甚至暴露葉片基材，涂層需要有優(yōu)良的高溫耐磨性能。

    1.2.4 抗熱震性

    涂層與金屬基材的熱膨脹量不匹配，受熱時(shí)涂層內(nèi)將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)涂層所經(jīng)受的循環(huán)應(yīng)力幅高于涂層的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，涂層內(nèi)將產(chǎn)生裂紋。涂層熱震失效的本質(zhì)為循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞失效，其失效過程包括裂紋形成、擴(kuò)展及最終剝落3 個(gè)階段。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作情況是一個(gè)高溫低溫反復(fù)循環(huán)的過程，為防止涂層和金屬基材線膨脹系數(shù)之間的差異，導(dǎo)致在溫度劇變時(shí)涂層剝離和破壞，要求葉片涂層尤其是葉尖部分需要具備優(yōu)良的抗熱震性能。

    2 單層涂層

    直接應(yīng)用于葉尖的單層結(jié)構(gòu)高溫防護(hù)涂層比較少見，復(fù)合涂層及層狀結(jié)構(gòu)涂層應(yīng)用較多。單層涂層在某一性能上特點(diǎn)突出，但綜合性能有所欠缺，研究此類涂層對(duì)復(fù)合涂層及多層涂層的研究具有參考意義，可做為復(fù)合及多層涂層的一部分。

    2.1 鋁化物涂層

    早在1911 年，有研究者提出了采用粉末包埋法（ pack cementation） 制備鋁化物涂層———滲鋁涂層。作為第一代高溫防護(hù)涂層，滲鋁涂層具有良好的抗氧化性能，以鎳基高溫合金為例，發(fā)揮其性能作用的是β -NiAl 化合物相。涂層的制備方法還包括熱浸滲鋁（ hotdipcoating） 、料漿滲鋁（ slury coating） 、化學(xué)氣相沉積（ CVD） 滲鋁等。從20 世紀(jì)50 年代開始，滲鋁涂層被大量應(yīng)用于鎳基和鈷基高溫合金渦輪葉片及導(dǎo)向葉片，有效提高了葉片的抗氧化性能。

    傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散鋁化物涂層制備技術(shù)（ 如粉末包埋、料漿擴(kuò)散法和化學(xué)氣相沉積等） 存在涂層有害元素?fù)诫s和有毒氣體釋放等問題。沈明禮等研發(fā)出顛覆傳統(tǒng)的“綠色”滲鋁技術(shù)，獲得了亞微米級(jí)超細(xì)晶β -NiAl 滲層，其抗高溫氧化性和抗熱腐蝕性能超越了傳統(tǒng)的滲鋁工藝所制得的涂層，并且作為保護(hù)涂層可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片。

    滲鋁涂層抗氧化性能好，可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉身，但是不能滿足葉尖部分的使用要求，并且涂層還存在一些缺點(diǎn)，王俊一發(fā)現(xiàn)，此類涂層脆性大，易開裂和剝落； 涂層/基體易發(fā)生互擴(kuò)散，涂層性能退化速度快； 富鎳的NiAl 相易發(fā)生馬氏體相變； 不耐硫化和熱腐蝕等。

    2.2 改性鋁化物涂層

    為改善單滲鋁涂層的性能，張忠禮通過多元共滲，制得了改性的鋁化物涂層，即在單滲鋁的基礎(chǔ)上，在鋁化物涂層中加入鉻、硅、鉑及稀土元素等，達(dá)到改善其性能的目的。

    Cr 元素的加入可以明顯提高涂層的抗熱腐蝕性能，減緩?fù)繉雍突闹g的互擴(kuò)散，避免涂層的退化，同時(shí)能促進(jìn)Al 的選擇性氧化形成Al2 O3膜。王占考等利用化學(xué)氣相沉積（ CVD） 法在單晶高溫合金基體上制備了鉻改性鋁化物涂層。鉻改性涂層在1 000℃下高溫氧化200 h 內(nèi)涂層保持良好的表面形貌，但在300 h 后出現(xiàn)脫落。

    涂層中加入適量的Si 比加入Cr 有更好的抗高溫氧化性能，能減緩?fù)繉雍突闹g互擴(kuò)散引起的的退化，并且對(duì)其抗熱腐蝕性能提高也有一定作用。劉磊等利用CVD 在Inconel 718 鎳基高溫合金表面制備了120 μm 厚的Si 改性鋁化物涂層。進(jìn)行1 100 ℃高溫氧化試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，所獲得的Si 改性鋁化物涂層在氧化增量階段比單一鋁化物涂層增量小，說明Si 的加入改變了試樣表面的氧化機(jī)制，有效促進(jìn)了表面Al2O3氧化膜的形成，同時(shí)抑制了Fe、Cr 等合金元素的氧化。

    Pt 的加入可以提高α -Al2O3膜的抗剝落和自愈能力，增加鋁化物涂層的組織穩(wěn)定性，降低涂層與基體之間的互擴(kuò)散［25］。戴建偉等［26］ 采用化學(xué)氣相沉積（ CVD） 方法在單晶高溫合金基體上制備了鉑改性鋁化物涂層，研究了其高溫氧化行為，并與單一滲鋁涂層進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pt 元素的加入既可減緩β→γ’的相變速率，又可有效阻擋基體中難熔金屬元素的外擴(kuò)散行為，保證了高質(zhì)量α -Al2O3保護(hù)膜的生成。

    利用稀土的活性元素效應(yīng)可以改善涂層的抗氧化性、抗硫化性和熱疲勞性能。劉得波等研究了稀土La 對(duì)滲鋁涂層的表面改性和作用機(jī)理。分析發(fā)現(xiàn)，La元素的加入可以促進(jìn)滲鋁過程，并且能細(xì)化滲層的組織，提高表面質(zhì)量。在高溫氧化過程中，滲鋁涂層表面形成了致密的氧化膜，氧化增重速率降低，涂層的抗高溫氧化性能提高。Zhang 等利用傳統(tǒng)的粉末包埋法，將Y2O3 /CeO2部分代替Al2O3，在鎳基表面制備了改性鋁化物涂層。在1 000 ℃的循環(huán)氧化下，Y2O3對(duì)θ -Al2O3的生長(zhǎng)起抑制作用，CeO2對(duì)θ -Al2 O3相向α -Al2O3相的轉(zhuǎn)化起促進(jìn)作用，最終的效果都是提高了涂層的抗氧化性能。

    改性鋁化物摻雜了不同的元素，其性能具有一定的差異，主要是為了提高抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕性能，雖然涂層的耐磨等性能有所欠缺，但是可作為金屬粘結(jié)層應(yīng)用于葉尖雙層結(jié)構(gòu)耐磨涂層。

    2.3 MCrAlY 包覆涂層

    MCrAlY 包覆涂層最早于20 世紀(jì)60～70 年代發(fā)展起來的，如今已經(jīng)發(fā)展成一系列涂層體系，其中M 為Fe，Co，Ni 或者它們的組合。其中Al 是用來形成保護(hù)性的氧化膜，Cr 可以改善涂層的抗熱腐蝕性能，同時(shí)也能促進(jìn)Al2 O3的形成，釔元素可以提高涂層的黏附性。此外，涂層中還可以加入Hf、Si、Ta、Ｒe、Zr、Nb 等元素對(duì)涂層進(jìn)行改性，以滿足特定的性能要求。包覆涂層與擴(kuò)散涂層的區(qū)別是涂層只和基材相互結(jié)合，基材不參與涂層的形成，因此，涂層的成分具有更多的選擇性。MCrAlY 是一種比較理想的涂層，同時(shí)具有抗高溫氧化和抗熱腐蝕性能，還有很好的韌性和抗疲勞強(qiáng)度，因此，可以應(yīng)用于葉尖防護(hù)涂層，如早期普惠公司JT9D-70 發(fā)動(dòng)機(jī)的第1、2 級(jí)葉片采用了等離子技術(shù)在葉片上涂覆了MCrAlY 涂層。

    Hu 等運(yùn)用激光熔覆的方式將改性MCrAlY 沉積到某種渦輪葉片葉尖端面，使沉積厚度高于預(yù)定尺寸，然后進(jìn)行葉尖加工至精確尺寸。改性的MCrAlY 涂層與高溫合金基體之間形成了冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高并且抗高溫氧化性能和抗熱腐蝕性能得到了提高。

    2.4 高溫微晶涂層

    王福會(huì)等 研制出了一種全新的高溫防護(hù)涂層———微晶涂層。大多數(shù)高溫防護(hù)涂層的特點(diǎn)是涂層與基體合金的組成材料不同，高溫環(huán)境下，涂層和基體間界面發(fā)生擴(kuò)散，易產(chǎn)生對(duì)抗氧化性能和材料力學(xué)性能有害的脆性相，還可能改變涂層的成分，引起涂層的性能的退化。而微晶涂層的成分與基體合金完全相同，因此可以避免此類現(xiàn)象。

    侯少軍利用多靶磁控濺射法在鎳基單晶高溫合金表面制備了β -NiAl 微晶涂層，晶粒的大小為300 nm～1 μm。在經(jīng)過1 100 ℃下恒溫氧化和循環(huán)氧化的測(cè)試后，與傳統(tǒng)的電弧離子鍍NiCrAlY 涂層做了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)微晶涂層表面只生成單一的α -Al2O3氧化膜且氧化膜連續(xù)、生長(zhǎng)緩慢、黏附性好，涂層具有很強(qiáng)的自愈能力，經(jīng)200 h 循環(huán)氧化涂層表面沒有明顯脫落，而NiCrAlY涂層在循環(huán)氧化的過程中出現(xiàn)了脫落，并且微晶涂層中涂層/基體界面下方?jīng)]有觀察到明顯的SＲZ 或TCP 相形成，說明微晶涂層具有良好的抗高溫氧化性能。另外，Shin 等在鎳基單晶高溫合金表面利用脈沖激光制備了鎳基高溫合金薄膜，隨著脈沖能量和基體溫度的上升，薄膜內(nèi)出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)化多晶結(jié)構(gòu)并且薄膜表面平整。

    2.5 陶瓷涂層

    陶瓷涂層耐熱性好，不易發(fā)生腐蝕氧化、硬度高且表面致密。應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片葉尖的陶瓷涂層能提供優(yōu)異的高溫防護(hù)性能。Bintz 等在葉尖金屬表面鍍覆了一層陶瓷薄膜（ 包括TiN、TiAlN、Al2O3、BN、SiCN、TiCN、TiO） 。此涂層可以避免對(duì)于不同基材的葉片采用不同的陶瓷涂層，如鋁合金葉片。氧化鋁涂層更適合Ti 合金葉片，可以使用氧化鈦或者氮化鈦涂層。涂層可以采用物理氣相沉積或者料漿法制備，制得的涂層對(duì)葉片基體起到了很好的保護(hù)作用。

    3 復(fù)合涂層

    包括金屬與陶瓷顆粒的復(fù)合涂層，層狀復(fù)合涂層及層狀與顆粒的復(fù)合涂層。一般單一結(jié)構(gòu)涂層對(duì)葉尖某一性能具有提升作用，但對(duì)于葉尖高溫防護(hù)而言遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，相比單一結(jié)構(gòu)，復(fù)合涂層在提升葉尖綜合防護(hù)性能方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

    3.1 金屬/陶瓷顆粒復(fù)合涂層

    葉尖涂層不僅需要足夠高的抗高溫氧化性及抗熱腐蝕性能，還需要很高的耐磨性能。復(fù)合涂層一般由耐磨微粒材料和抗氧化的合金基質(zhì)材料組成。耐磨微粒通常為硬質(zhì)陶瓷顆粒，如碳化鎢、氧化鋁、氧化鋯、氧化鉻、立方氮化硼、碳化硅等碳化物或氧化物陶瓷材料，或者金剛石等硬度較大的材料。這些微粒通常為納米級(jí)或者微米級(jí)，或者兩者混在一起使用。復(fù)合涂層中的硬質(zhì)顆粒可以通過細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化等作用來實(shí)現(xiàn)復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)化； 在葉尖與機(jī)匣封嚴(yán)涂層的對(duì)磨過程中，硬質(zhì)顆粒可對(duì)涂層起到一定支撐作用，并且可利用突出于涂層表面的顆粒的超強(qiáng)硬度和不規(guī)則邊角對(duì)機(jī)匣封嚴(yán)涂層起到刮削作用，能清除磨削，減緩粘性磨損； 硬質(zhì)顆粒在摩擦過程中還可以抵抗塑性變形、阻礙磨料運(yùn)動(dòng)及終止磨痕擴(kuò)展等作用。關(guān)于耐磨粒子的嵌入涂層的方式目前有2 種思路，（ 1） 顆粒在涂層內(nèi)部，主要發(fā)揮其支撐和強(qiáng)化涂層的作用，使涂層的硬度和耐磨性得到提高，另一種是顆粒子露出涂層表面，這樣的好處是露出硬質(zhì)顆粒頂部可以切入機(jī)匣封嚴(yán)涂層，不僅能使涂層耐磨性能提高，也能進(jìn)一步減小葉尖機(jī)匣之間的間隙，Allen提出了在葉尖表面制備具有切削功能的涂層，該涂層表面排列無數(shù)“金字塔”狀的耐磨尖端，在葉片工作時(shí)，能切入機(jī)匣涂層，減小間隙提高效率。

    應(yīng)用于葉尖的復(fù)合涂層要同時(shí)兼顧高溫耐磨、抗高溫氧化與抗熱腐蝕等性能。所以，研究者提出利用耐磨陶瓷顆粒與MCrAlY 包覆涂層進(jìn)行復(fù)合，這樣制得的涂層不僅能保留包覆涂層的高溫性能，而且能提高其耐磨性能。胡澤祥等利用激光熔覆技術(shù)在純鈦表面制備了NiCoCrAlY/HfB2復(fù)合鍍層，所制得涂層的平均顯微硬度約為850 HV2 N，涂層與基體呈冶金結(jié)合，涂層具有較好的高溫耐磨性能。同樣，Guo 等利用激光熔覆技術(shù)在純鈦表面制備了NiCoCrAlY/ZrB2復(fù)合涂層，研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于單一的NiCoCrAlY 涂層，NiCo-CrAlY/ZrB2復(fù)合涂層具有更好的微觀硬度和高溫耐磨性能。

    目前，國(guó)外關(guān)于單層復(fù)合涂層應(yīng)用于葉尖部分已有相關(guān)報(bào)道。Liu 等利用冷噴涂的方式，將耐磨粒子（ 如CBN） 直接噴涂到葉尖金屬涂層表面，形成復(fù)合涂層，方法： （ 1） 將葉片噴涂完后安裝在葉盤上，（ 2） 將葉片表面遮擋，直接進(jìn)行冷噴涂。

    3.2 層狀復(fù)合

    雙層涂層既可以是2 層金屬涂層，也可以是由陶瓷層和金屬粘結(jié)層組成的熱障涂層。Hu 等報(bào)道了一種可應(yīng)用于葉尖的涂層，該涂層是由MCrAlY 和改性MCrAlY 組成的雙層涂層，具有良好的抗熱腐蝕性能和高溫氧化性能，而且具有很高的耐久性，涂層與基體結(jié)合牢固。目前廣泛采用的是熱障涂層，其中陶瓷涂層起隔熱作用，同時(shí)兼具一定的耐磨性能，陶瓷涂層和基體金屬之間為改性滲鋁涂層或MCrAlY 粘結(jié)層，起著改善基體和陶瓷層物理相容性和抗氧化腐蝕的作用，雙層結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單、隔熱性能強(qiáng)，也可應(yīng)用于整體葉片。

    3.3 層狀與顆粒復(fù)合涂層

    在層狀結(jié)構(gòu)的涂層中混入陶瓷顆粒，可以有效增強(qiáng)涂層的耐磨性能，減小葉尖和機(jī)匣的間距。混合耐磨顆粒部分露出陶瓷外表面，有部分顆粒穿插于陶瓷層和金屬粘結(jié)層（ 圖4 為一種葉尖涂層的結(jié)構(gòu)示意圖） 。這樣設(shè)計(jì)的目的不僅能提高的涂層的耐磨性能，同時(shí)，露出陶瓷表面的硬質(zhì)顆粒尖端可以切入機(jī)匣封嚴(yán)涂層表面，形成特定的運(yùn)行軌跡，減小葉尖和機(jī)匣之間的間隙，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)效率和輸出功率。復(fù)合雙層涂層目前面臨的問題是： 硬質(zhì)顆粒的選材問題，需要足夠高的硬度，與外沿涂層具有良好的相容性并且在高溫下不發(fā)生氧化； 外沿涂層需要足夠的耐高溫耐腐蝕性能，可以選用滲鋁涂層或者陶瓷涂層等，和硬質(zhì)顆粒相容，結(jié)合牢固； 粘結(jié)層需要很好的耐高溫性，重要的是要與基體和外沿涂層結(jié)合牢固，保證涂層的穩(wěn)定性。

    Schell 等提出在陶瓷涂層和金屬粘結(jié)層組成的熱障涂層中嵌入SiC 顆粒，并且顆粒貫穿陶瓷涂層和金屬粘結(jié)層，部分顆粒露出陶瓷涂層外表面。金屬粘結(jié)層采用MCrAl 或NiCrCoAl 合金涂層，在保證熱障涂層原有高溫性能的條件下，使涂層的耐磨性能得到了進(jìn)一步提高。但需要考慮的問題是陶瓷涂層與硬質(zhì)顆粒的相容性問題，顆粒和陶瓷涂層的選材顯得尤為重要。

    除了最外層使用陶瓷涂層，使用金屬涂層的報(bào)道也很多。為了保證硬質(zhì)顆粒不脫落，具有足夠的使用壽命，Wilson 等提出了一種復(fù)合涂層的制備方法。

    以SiC 為耐磨顆粒，外層使用具有自修復(fù)性能的MCrAlX（ 其中M 指的是Ni、CO 或Fe，X 指的是Y、Zr或Hf） 涂層，涂層與SiC 相容性良好，保證了SiC 的耐久性硬質(zhì)顆粒除了SiC，還有硬度更高的氮化硼。Laul等制備了一種復(fù)合雙層涂層，涂層包括CBN 硬質(zhì)顆粒，金屬粘結(jié)層CoNiCrAlY 以及最外層的經(jīng)擴(kuò)散處理（ 滲鋁） 的NiCoCrAlHf 涂層。CBN 鑲嵌于外層，在粘結(jié)層以上，經(jīng)擴(kuò)散處理的外層表面形成了滲鋁涂層，提高抗氧化性能的同時(shí)，也保證了CBN 的牢固結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)的涂層既保證了耐磨性能，也保證了涂層的抗氧化和腐蝕性能。而且，金屬粘結(jié)層和外層都可以摻雜其他元素進(jìn)行改性，進(jìn)一步提升性能。

    4 存在的問題和發(fā)展趨勢(shì)

    國(guó)外關(guān)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖涂層的研究起步較早，我國(guó)起步較晚，技術(shù)落后于美國(guó)等航空工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作環(huán)境惡劣，尤其是葉片的葉尖部分，葉片的使用壽命往往與葉尖相關(guān)。就目前而言，葉尖防護(hù)涂層的研究比較少，相關(guān)涂層技術(shù)具有很大的潛力和良好的發(fā)展前景。和多數(shù)防護(hù)涂層一樣，葉尖涂層仍然有許多問題需要解決，如涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涂層的綜合高溫性能、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、涂層的制備工藝以及如何應(yīng)用于葉尖等。因此，在前面對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)涂層的研究進(jìn)展的綜述基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)用于葉尖的防護(hù)涂層進(jìn)行以下幾點(diǎn)展望。

    4.1 葉尖涂層的成分與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

    單層涂層的綜合性能有所欠缺，其中鋁化物涂層及微晶涂層可以達(dá)到很高的抗氧化和熱腐蝕性能，但是耐磨性能有所欠缺，應(yīng)用于葉尖受到限制。對(duì)于陶瓷涂層，單獨(dú)使用的情況下，雖然其隔熱效果好、硬度高，但是其與葉片的物理相容性很差、熱導(dǎo)率較低。

    MCrAlY 涂層雖然也有直接應(yīng)用于葉片及葉尖的報(bào)道，但是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的提升，性能達(dá)不到要求。單層復(fù)合涂層相對(duì)其他涂層綜合性能有所提升，所以應(yīng)用于葉尖部分仍有很大的發(fā)展?jié)摿Γ性S多問題有待優(yōu)化，如利用復(fù)合電鍍制備高溫耐磨復(fù)合鍍層，需要考慮的問題有涂層基質(zhì)金屬的選擇以及耐磨粒子的選擇、電鍍的方式以及鍍液的分散等。

    雙層涂層的設(shè)計(jì)優(yōu)于單層涂層，雙層涂層將2 種不同性能的涂層結(jié)合起來，如熱障涂層，包括陶瓷涂層和MCrAlY 涂層。但是涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度、涂層之間的擴(kuò)散、涂層之間的適配型以及加入耐磨顆粒后帶來的問題都影響著涂層的性能和使用，為了避免這些問題，涂層結(jié)構(gòu)更加多元也更加復(fù)雜。所以，今后發(fā)展多層涂層以及梯度涂層具有良好的前景，但是多層及梯度涂層制備工藝復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用較為困難，因此，多層及梯度涂層的優(yōu)化問題需要進(jìn)一步研究。

    雙層涂層在服役中可能會(huì)出現(xiàn)涂層內(nèi)熱應(yīng)力不匹配，涂層和基體、涂層和涂層之間發(fā)生互擴(kuò)散，導(dǎo)致涂層的退化等問題，因此有研究人員提出發(fā)展多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。多層結(jié)構(gòu)每層涂層性能不同，一方面延緩?fù)繉拥臄U(kuò)散，另一方面緩和涂層之間的熱應(yīng)力，增強(qiáng)涂層的穩(wěn)定性。梯度涂層的基本思想是將2 種或2 種以上不同材料制備成梯度分布的復(fù)合材料，使得材料具備非梯度結(jié)構(gòu)達(dá)不到的功能，但是多層體系涂層的熱化學(xué)行為復(fù)雜，涂層的制備工藝繁瑣，許多技術(shù)問題尚未得到解決，限制了其實(shí)際應(yīng)用。多層結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)涂層的綜合性能很強(qiáng)，適用于性能要求極高的葉尖涂層，如果能解決技術(shù)上的難題，將會(huì)有良好的應(yīng)用前景。

    4.2 葉尖涂層的制備工藝

    開發(fā)國(guó)內(nèi)關(guān)于葉尖涂層制備工藝的研究報(bào)道較少，我國(guó)多項(xiàng)技術(shù)還處于起步階段和實(shí)踐證明階段，在葉尖涂層的制備工藝研究方面與美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在巨大差距。葉尖表面復(fù)雜，尺寸精度要求高，涂層的實(shí)際工程應(yīng)用也將是一個(gè)巨大的問題。葉尖涂層的結(jié)構(gòu)朝著多層化發(fā)展，涂層的制備工藝不僅僅是單工藝的應(yīng)用，而是多工藝的結(jié)合。工藝研究及工藝優(yōu)化對(duì)涂層制備成本和制備效率具有重要意義。國(guó)外已經(jīng)具備比較成熟的技術(shù)，因此不斷引進(jìn)和吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)室研究和工程化應(yīng)用相結(jié)合是一個(gè)努力方向。

    4.3 葉尖涂層失效及修復(fù)研究

    葉尖防護(hù)涂層在高溫工作環(huán)境下失效是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其失效受多種因素影響。葉尖的工作環(huán)境較整體葉面惡劣，因此葉尖是發(fā)動(dòng)機(jī)葉片最易受損的部位。目前國(guó)內(nèi)對(duì)葉尖受損機(jī)理的研究較少，對(duì)于受損葉片的分析和修理也是基于一個(gè)具體案例，如果能建立一個(gè)更加系統(tǒng)化、規(guī)范化的分析機(jī)制，對(duì)葉尖的損傷原因進(jìn)行分類歸納，對(duì)以后損傷葉尖的分析及修復(fù)提供一個(gè)更加標(biāo)準(zhǔn)的參考依據(jù)，對(duì)于提高效率和節(jié)約成本具有顯著意義。

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