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航空發動機壓氣機葉片砂塵沖蝕防護涂層關鍵問題綜述

2018-11-16 18:18:38 作者：何光宇，李應紅，柴艷，張翼飛，王冠來源：空軍工程大學等離子體動力學重點實驗室分享至：

砂塵沖蝕是指一定速度和尺度范圍?松散的砂塵顆粒流過材料表面時,對材料表面造成的漸近性磨損現象?直升機或運輸機在沙漠地帶起降,氣流誘導砂塵高速吸入發動機,受砂塵顆粒的沖擊和磨損作用,壓氣機葉片外形和結構完整性遭到破壞,導致發動機性能衰減?壽命降低,嚴重影響作戰性能和耐久性?據美國國防部統計:“沙漠風暴”行動中,惡劣的砂塵環境使美軍直升機發動機耗油率和維修成本大幅提高,發動機實際使用壽命不足設計值的1/8?

20世紀60年代的越南戰爭使美軍最早認識到砂塵沖蝕的嚴重危害?戰后,美軍與加拿大的公司合作,采用在材料表面制備硬質涂層的方法提高葉片的抗砂塵沖蝕能力?然而,在海灣和阿富汗戰爭中,硬質涂層并未達到預期的防護效果,帶有涂層的壓氣機葉片依然受損嚴重?經戰后分析:涂層對惡劣的服役環境的適應性?試驗考核體系的完備性和有效性不足是導致壓氣機葉片受損嚴重的主要原因?

惡劣服役環境的涂層設計?制備技術和工藝的可實現性與穩定性?考核體系的有效性和完備性是抗沖蝕涂層防護系統工程中的關鍵?本文重點對國內外航空發動機壓氣機葉片砂塵沖蝕涂層結構設計?制備技術和試驗考核三個環節的關鍵問題進行綜述,分析我國在該領域中的不足,展望我國的研究重點和發展前景,對提高武器系統的戰備性能?降低后勤保障需求,促進我國高性能?長壽命?高可靠性和易維修性先進航空發動機的研究與發展具有十分重要的指導意義?

1 涂層設計

涂層結構成份和材料體系對沖蝕環境具有一定的適應性,而且“試驗—失效—試驗”的常用研發模式,周期長?花費高,部分涂層(薄膜)材料的關鍵參數獲得十分困難?因此,在涂層制備和投入使用之前,分析涂層使用的工況環境?自然環境,設計涂層的結構和強韌性,選擇材料體系和成份,在沖蝕試驗和涂層制備之前,對沖蝕行為進行預測,為涂層的制備和使用提供需求牽引是十分必要的?

1.1 環境適應性

涂層的環境適應性是指涂層對工作環境的自然因素和工況因素的適應程度?自然環境中的溫度?濕度和腐蝕性介質以及氣動載荷?離心力等工況條件都不同程度影響涂層的抗沖蝕性能和完整性?美軍在伊拉克和阿富汗戰爭中雖然考慮到當地的環境特性,但是,超級種馬和海上騎士等多型直升機發動機壓氣機葉片仍受到嚴重損傷,部分發動機使用壽命從設計值的3 000小時降為100小時?美國陸軍研究實驗室在“美國國防特定環境砂粒沖蝕試驗方法”報告中指出:惡劣的使用環境是造成美軍直升機在沙漠地帶受損嚴重的主要原因之一?

砂塵特性是沖蝕環境中的關鍵因素?沙漠的高溫環境導致砂塵堅硬程度?顆粒外形與尺寸分布與內陸差異較大,這些都直接影響沖蝕損傷程度?美軍特別針對伊拉克?阿富汗和科威特等戰區環境的砂塵分布特性和微觀組織特性開展研究,圖1給出了伊拉克和阿富汗Baghram 空軍基地等地區,2種不同百分比混合的砂塵顆粒(Golf sand和Yuma dust)?672mph和500mph(1mph=1.609 344km/h)2種沖蝕速度條件下的沖蝕試驗試樣的質量損失,由此可見砂塵特性的差異對沖蝕損傷的影響?

1.2 材料體系

圖2是砂塵對材料表面的沖蝕損傷機理,金屬材料表面遭受砂塵小角度沖蝕時,磨損機制以微切削為主,而大角度(接近垂直)沖擊時,沖擊產生的微裂紋或者損傷成為疲勞源,疲勞破壞成為主要失效機制?

為提高材料表面的抗沖蝕性能,一般采用硬質涂層材料,且硬質涂層材料的斷裂韌性逐漸受到關注,涂層材料的硬度和斷裂韌性都是涂層十分重要的機械性能?陶瓷-陶瓷?金屬-陶瓷等5種不同基體-涂層材料的斷裂韌性和硬度如圖3所示,圖中橫坐標為材料斷裂韌性,縱坐標為硬度,α為材料抗沖蝕行為表現優秀的沖蝕角度,陰影1~5分別表示包括陶瓷及金屬的5種具有脆性和塑性的材料,可見材料1具有較低的斷裂韌性和較高的硬度,對小角度(小于30°)沖蝕較有效,而材料5具有較好的斷裂韌性和較低的硬度,對大角度(大于60°)的沖擊有效?而相比材料1和5,材料2?3和4同時具有較好的斷裂韌性和硬度,對全角度防護沖蝕有效?

世界各國對抗沖蝕涂層的研究主要集中在陶瓷涂層?WC/Co涂層?ZrN等?近年來,尤其在TiAlN?高分子涂層?超彈性硬質涂層和SiC/SiC涂層深入發展?目前抗沖蝕涂層已經在國外的發動機上得到廣泛應用,美國在MDS-PRAD?GE公司等單位的協助下,20世紀80年代美軍就已經將抗沖刷涂層技術應用在直升機?運輸機發動機上?近20年來,應用最多的主要是ER7和BlackGold涂層?ER7涂層的主要成份為TiN,BlackGold涂層的主要成分為TiAlN?

1.3 結構與強韌性

涂層是提高葉片抗砂塵沖蝕的有效措施?但是,復雜的沖蝕損傷機理導致結構簡單?性能單一的涂層無法滿足防護要求?涂層的抗沖蝕性能與涂層結構?強韌性和砂塵特性等密切相關?抗沖蝕涂層發展初期,涂層硬度被普遍認為是提高材料抗沖蝕性能的關鍵因素,高硬度的陶瓷涂層可降低砂塵沖擊時塑性變形導致的磨損,從而提高葉片抗沖蝕性能?然而,在伊拉克和阿富汗戰爭中,超硬涂層并未達到期望的防護效果,帶有陶瓷涂層(TiN 和CrN)的葉片仍然受砂塵沖蝕?雖然陶瓷涂層具有較高的硬度,但是脆性大?斷裂韌性低,導致涂層在受到惡劣環境砂塵粒子沖擊時極易出現裂紋?

為提高涂層韌性,可在硬質涂層中增加延性金屬,形成復合涂層,也可以將硬質涂層和延性金屬交替排列,形成多層陶瓷-金屬涂層?由于多層陶瓷-金屬涂層具有良好的韌性和硬度,且結構形式和種類多樣,成為抗沖蝕涂層的研究趨勢?但是,多層涂層仍然面臨很多問題,多層涂層與提高抗沖蝕性能之間并不一定存在必然的因果聯系?在某些沖蝕條件下,多層涂層的抗沖蝕性能與單層相比反而顯著下降;韌性層材料與性能對涂層沖蝕性能影響較大,有時沖蝕試驗結果甚至相差2個數量級?此外,對于相同厚度的多層陶瓷-金屬涂層,中間延性金屬層厚度?陶瓷-金屬涂層比例和涂層層數對沖蝕抗力具有顯著影響,不同結構的涂層在不同條件下的抗沖蝕性能差異較大,并非一種結構涂層在所有的沖蝕條件都具有很好的抗沖蝕性能?

美軍成功應用于裝備的ER7涂層微觀結構示意如圖4所示,該涂層由軟/硬(Soft layers/Hard layers)交替排列而組成,并通過渡層(Transition)使涂層與機體相互結合?相比單層涂層,該涂層結構具有較好的斷裂韌性和抗沖擊能力,交替的多層結構和梯度過渡區域有利于降低涂層內應力,提高涂層的耐久性?目前,已在多型號渦軸?渦扇發動機上大規模使用?

1.4 結構設計方法

加拿大的研究人員采用三維數值仿真的方法,模擬局部外形尖?尺寸不同的砂塵對材料表面的損傷,重點分析復雜外形砂塵對材料表面的沖蝕損傷機制?采用有限元方法對砂塵以V0=84m/s的速度單次沖擊情況進行模擬,如圖5所示,以多層涂層的拉應力最小化為目標,分析了涂層表面應力的動力學響應,如圖6所示?

美國賓夕法尼亞大學的科研人員開展了多層涂層結構設計優化研究,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,進一步說明某種涂層材料和結構僅可以在特定的或一定條件范圍內滿足沖蝕防護要求,為多層涂層系統優化設計奠定了較好的研究基礎?文獻以多層TiN涂層發展過程中存在的問題為研究背景,針對Ti0.75X0.25C材料,發展了一種新的斷裂韌性估算方法(Density FunctionTheory,DFT),該方法計算出的彈性模量?表面能和斷裂韌性與試驗數據和其他理論方法計算結果具有較高的一致性,計算結果表明,鉭和鎢在提高ER-7陶瓷涂層斷裂韌性方面是十分有效的?文獻采用DEM 分析法,對不同角度?不同速度和粒子密度情況下,粒子沖擊平板情況進行模擬,將單個粒子沖擊與多個粒子沖擊結果進行比較,主要目的是對DEM 方法的有效性進行估算,相比較得到結論:切向沖擊能量和沖蝕率最大值出現在20°~30°,正向沖蝕能量出現在沖蝕角度80°,計算結果與試驗結果有較強的一致性?

2 涂層制備

涂層制備技術是實現涂層應用的核心?目前,涂層制備技術繁多,然而,選擇涂層制備技術,除需獲得涂層本身的基本性能外,制備方法對基體材料疲勞性能的影響,制備技術本身的穩定性與可實現性也十分關鍵?

2.1 物理氣相沉積

近年來,隨著高能真空等離子體技術的飛速發展,氣相沉積逐漸成為制備涂層的主要技術手段?氣相沉積技術是通過使材料氣相化后沉積于固體材料表面的一種薄膜制備方法,該方法主要包括物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)和化學氣相沉積(Chemical VaporDeposition,CVD)2大類方法?物理氣相沉積?化學氣相沉積?熱噴涂以及堆焊等制備涂層厚度和處理溫度如圖7所示?可見,化學氣相沉積和堆焊方法涂層制備的溫度過高,尤其對于鈦合金壓氣機葉片,具有較強的腐蝕性?熱噴涂方法可將涂層制備控制在較低的溫度,涂層制備厚度超過1 000μm,但是熱噴涂方法涂層與基體的結合強度不能滿足要求?

物理氣相沉積方法是用物理的方法,將鍍膜材料氣相化,再沉積在葉片表面的過程?物理氣相沉積包括濺射鍍和離子鍍等,以及目前飛速發展且應用最多的磁控濺射離子鍍技術?

制備方法對材料疲勞性能的影響?雖然在燃氣輪機部件表面使用抗沖蝕和腐蝕涂層,疲勞極限降低10%~15%是允許的,但是理論和實踐經驗表明,直升機疲勞極限最多不能下降超過10%?美軍針對ER7涂層對3種壓氣機葉片材料在不同測試環境溫度下(800F,600F,400F即426.7,315.6,204.4℃)的疲勞性能開展實驗研究如圖8所示,ER7涂層對3種壓氣機材料的疲勞強度影響不大,在可接受的范圍內,其中,鈦合金葉片對疲勞性能比較敏感,疲勞強度下降了約10%,可采用在葉片根部的疲勞敏感區域不制備涂層的方法保證材料的疲勞強度?

2.2 制備技術中的關鍵問題

材料表面制備硬質涂層,增加了裂紋萌生的傾向,尤其是鈦合金對表面十分敏感,硬質涂層脆性較大,一旦表面出現缺陷就會降低疲勞性能?材料的疲勞性能與制備方法和工藝的選擇有很大關系,一直是亟待解決的難題?

此外,對于外形復雜?遮擋嚴重部件的制備問題仍是制約制備技術應用于實際裝備的關鍵問題?物理氣相沉積方法中的磁控濺射離子鍍技術,在實現對鍍膜材料大面積穩定濺射的同時,利用特殊配置的電磁場技術控制濺射電子在真空腔內的運行軌跡,提高原子離化率,同時在薄膜物質沉積的過程中伴有離子的轟擊過程,實現鍍膜材料的物質沉積和能量沉積,因此,具有膜基結合強度高?薄膜致密?溫升低等優勢?離子轟擊物理過程,對涂層內部形成壓應力以及提高基體疲勞性能等方面都存在一定優勢,而且,由于電磁場的控制具有一定的繞性,有利于遮擋部位的涂層制備?因此,磁控濺射離子鍍目前已成為工業領域制備硬質涂層的常用手段?

為確保涂層對壓氣機葉片表面的實時防護,涂層與基體之間需有較高的結合強度,使涂層受到砂塵沖擊仍保持一定完整性?物理氣相沉積方法,通過制備過程中涂層材料物質和注入能量的雙重沉積,提高涂層與基體之間的結合強度,物理氣相沉積在較低的溫度制備涂層,可有效降低涂層的內應力,降低涂層遇沖擊開裂的可能性?此外,對涂層制備表面進行預處理,獲得一定的清潔度和粗糙度,改善表面機械性能,去除表面氧化膜,使基體顯露出“新鮮金屬”,與其他表面處理方法結合,復合強化的方法也是提高結合強度的有效方法?ER7涂層的制備過程如圖9所示,葉片先后經過酸洗?超聲清洗?涂層PVD 制備?特殊振動處理?視覺檢測?金相檢測,最后投入使用?

3 試驗體系

沖蝕試驗體系是評價涂層設計的有效性?制備技術可控性?穩定性以及涂層抗沖蝕性能最為直觀和有效的措施,試驗體系的完備性和有效性直接影響涂層在實際使用中的防護能力?

3.1 美軍標中沖蝕試驗規范

美軍2010年發布的軍標3033號為飛機發動機葉片常用材料的耐砂蝕(顆粒侵蝕)性能測試提供標準?測試方法用于檢測飛機發動機葉片抗侵蝕系統常用材料的耐砂蝕(顆粒侵蝕)性能?包括合成橡膠?強化塑膠和復合材料?金屬?陶瓷及涂層?軍標中針對靜態樣本,開展在高速氣流不斷帶入的砂粒作用下的材料遭受沖蝕試驗測試,如圖10所示?

標準規定:顆粒直徑大約為240~550μm,顆粒密度為30 g/cm3,顆粒速度為(222.5±10.7)m/s,撞擊角度為20°~90°之間,測試溫度應為(23.9±2.8)℃,相對濕度(RH)為50%?侵蝕物為經斷裂的石英石形成的合成礦物石英砂?采用體積損失?質量損失和涂層失效來評定沖蝕性能優劣?

3.2 試驗體系的完備性

美軍的軍用標準中已針對預處理試樣的溫度?濕度?測試溫度和濕度?侵蝕物尺寸?成份?沖蝕速度和角度?砂塵顆粒負載量等進行了詳細的規定?然而,軍用標準中的試驗條件與實際使用中仍存在較大差異,因此仍需建立完善的沖蝕試驗體系,且加強試驗的有效性驗證?為考核沖蝕涂層的防護效果,美軍的沖蝕試驗體系包括了實驗室原理性驗證?吞砂試驗?疲勞試驗?外場小規模驗證試驗等?

首先在實驗室條件下開展了涂層砂塵防護效果的原理性驗證實驗,使用粒徑為10~100μm,速度達到213?4m/s的二氧化硅沙粒沖蝕試樣,沖蝕設備運行時間與試樣質量損失的關系如圖11所示,由圖可知隨著磨蝕砂塵量的增加,壓氣機葉片的弦長損失量逐漸增加,當損失量到達設定的門限值時,壓氣機葉片到壽?報廢?兩條曲線的對比表明涂層能夠大幅提高壓氣機葉片的使用壽命達2倍以上,初步驗證了涂層的砂塵防護效果?

考慮到實驗室條件下難以模擬發動機整機的吞砂情況,因此后續開展了涂層在發動機整機(T64)上應用的試驗研究?試驗結果如圖12所示,表明涂層的防護效果明顯?在驗證涂層砂塵防護效果的基礎上,進一步開展涂層對壓氣機葉片疲勞性能的試驗研究工作,試驗表明:涂層對三種壓氣機材料的疲勞強度影響不大,在可接受的范圍內?最后,對發動機進行外場小規模試用工作,試驗結果表明:發動機在沙漠環境下的平均裝機使用時間(Time-on-Wing,TOW)從113h延長到374h,提高近3?3倍?通過以上的全面考核,驗證了涂層良好的砂塵防護效果?

涂層性能的考核主要包括:涂層基本力學性能?摩擦學性能指標?靜止試樣的沖蝕試驗?轉動試樣沖蝕試驗?試樣疲勞性能測試?葉片沖蝕和疲勞性能測試試驗?發動機吞砂試驗及外場小規模驗證試驗?此外,針對特定環境應包括:雨水?沙石和雨水的共同作用?水解作用?陽光輻射?空氣氧化?極端天氣?溫度驟變?鹽霧?電磁兼容性?熱傳導等,開展涂層環境適應性研究?

4 國內研究現狀與差距

我國的全天候和全疆域作戰需求要求直升機和運輸機需具備復雜地域和惡劣氣候下的作戰能力?然而,我國現役航空器其發動機仍未采用砂塵防護措施,發動機容砂能力差極大地限制了作戰使用要求?國內很多研究單位從事抗沖蝕涂層領域研究,空軍裝備研究院和北京航空材料研究院在砂塵環境試驗體系方面開展研究,為我國自行研制軍用砂塵環境試驗設備,提高軍用武器裝備對環境的適應性及可靠性提供依據?西北工業大學?西安交通大學?常州大學?裝甲兵工程學院在涂層制備?材料體系與試驗等基礎領域已經開展研究工作?北京科技大學和內蒙古工業大學研究了涂層在風沙環境下的沖蝕磨損特性?沖蝕行為和侵蝕機理?空軍工程大學等離子體動力學重點實驗室針對抗沖蝕涂層設計體系中存在的關鍵問題,從涂層防護性能需求?制備方法與工藝和試驗考核等方面開展了初步研究?然而,我國的研究現狀仍是十分初步的,研究成果不能滿足工程需求,主要原因是:

1)機理研究不夠深入?砂塵環境下,基體與涂層的沖蝕損傷與防護是砂塵粒子與涂層相互作用的結果?砂塵沖擊條件下的多層涂層動態響應規律和損傷機理,這一問題直接影響涂層的抗沖蝕性能和基體的防護效果?然而,目前國內外在這方面報道極少,尤其對于交替排列的多層涂層,已有的研究對沖擊應力波在多層涂層內部以及涂層多個界面反射?折射傳播過程的描述仍不多見,無法獲知多層涂層防護下,基體和涂層材料的沖擊動態響應以及沖擊最終形成的復雜應力?應變場狀態?同時,對于陶瓷和金屬交替排列的多層涂層結構,其損傷模式和機理既有別于金屬的塑性變形,也不同于陶瓷的脆性斷裂?而這些問題都嚴重影響著涂層的抗沖蝕性能?因此,急需開展多層涂層結構強韌性和損傷機理的研究,為建立涂層設計體系奠定理論基礎?

2)涂層結構與性能設計研究亟待加強?抗沖蝕涂層研究應包括涂層設計?制備方法和技術以及性能考核3個主要環節?針對涂層使用環境的自然因素和工況因素對涂層結構和性能進行設計,對涂層制備具有十分重要的引領作用?然而,我國現有的研究中忽視了這個環節,導致涂層性能需求不明確,制備方法的工藝選擇十分盲目?

3)考核手段仍不完備?有效性亟待驗證?我國現有的試驗一方面集中在涂層的基本性能測試,主要包括硬度?斷裂韌性以及膜基結合強度等基本性能指標對涂層抗沖蝕性能存在重要影響?另一方面,是采用噴射式砂塵沖蝕實驗室條件驗證涂層的抗沖蝕性能?然而,國內現有沖蝕試驗系統設備簡單?影響因素單一,沖蝕試驗的有效性未能得到驗證?因此,必須貼近實際環境,設計并研制沖蝕實驗平臺,該平臺可在不同環境條件下,采用不同角度?不同尺寸?不同速度的砂塵對靜止?高速旋轉狀態下的試樣進行沖蝕性能考核,可初步形成評價葉片及涂層抗砂塵沖蝕標準和體系?

4)研究系統性不強?我國多年的研究成果仍不能在武器裝備上廣泛應用,涂層設計環節的指導性?涂層制備的可實現?可控和穩定性以及涂層考核體系的完備和有效性等重點環節不能形成系統的研究體系是主要原因?涂層需求論證不準確,制備方法選擇的不恰當?工藝可靠性低,再加上考核體系無法貼近工況,最終導致涂層的防護能力不能滿足實際需求?

5 結論

對國內外航空發動機壓氣機葉片砂塵沖蝕問題進行綜述,分析美軍防護涂層的發展過程,重點闡述環境適應性?結構強韌性設計?制備技術和試驗體系等制約涂層發展的關鍵問題?經過20多年的研究與應用,目前,國際上在抗沖蝕涂層領域的發展正朝著材料體系不斷創新?涂層結構強韌性匹配更加合理?設計手段不斷豐富?制備技術更加成熟?試驗條件更為有效的方向發展?我國在抗沖蝕涂層領域存在機理研究不深入?缺少涂層設計以及考核體系不完善等關鍵問題,這些都是我國抗沖蝕涂層領域的發展方向和研究重點,加強抗沖蝕涂層研究對提高我國航空發動機容砂能力與作戰性能具有重要的戰略意義?