為了增強(qiáng)海防實(shí)力，我國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。另外國內(nèi)越來越多的發(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)。

   熱噴涂和物理氣相沉積是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)使用最為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、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)。為促進(jìn)新型軍機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)涂層技術(shù)的研究和應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)隱身涂層、壓氣機(jī)葉片抗沖蝕涂層及鈦合金轉(zhuǎn)子葉片和機(jī)匣防鈦火涂層技術(shù)的研究受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。近幾年，隨著壓氣機(jī)和渦輪氣路封嚴(yán)技術(shù)的迅速發(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。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。

   （一）抗沖蝕涂層技術(shù)

   飛機(jī)在低空飛行、起飛和降落過程中，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)，對(duì)葉片造成明顯的沖蝕磨損，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АＳ绕浣陙黹_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。
 

航空發(fā)動(dòng)機(jī)涂層技術(shù)
 

   目前，國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，英國也通過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)為軟／硬層交替排列結(jié)構(gòu)，并以過渡層與基體結(jié)合，如圖1 所示。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。具有典型Cr/CrN交替的涂層顯微組織的復(fù)合涂層可明顯改善涂層抗沖蝕性能。Cr/CrN 抗沖蝕性能與Cr/CrN的層厚比值Q 密切相關(guān)，在Q為0.81 時(shí)涂層抗沖蝕性能最佳。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，同時(shí)向TiN 涂層中添加鋁實(shí)現(xiàn)多元合金化也能增強(qiáng)涂層抗沖蝕性能。

   國內(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。

   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。同時(shí)，加強(qiáng)涂層無損檢測技術(shù)，包括涂層孔隙、分層和裂紋檢測以及熱障涂層厚度在線檢測技術(shù)的研究也勢在必行，為發(fā)動(dòng)機(jī)涂層的工程化應(yīng)用提供安全保障。

   （二）防鈦火涂層技術(shù)

   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，僅美國和前蘇聯(lián)就分別發(fā)生過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，因此防鈦火技術(shù)成為各國急需解決的技術(shù)瓶頸問題。
 

鈦合金發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣
 

   國內(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。美國曾經(jīng)在F119 戰(zhàn)機(jī)上應(yīng)用阻燃鈦合金，但合金成本過高，阻燃涂層則是工藝簡單、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。針對(duì)EJ-200HP 壓氣機(jī)機(jī)匣的鈦火問題，英國R·R 公司、意大利FAIT 公司、德國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土可磨耗封嚴(yán)面層的涂層結(jié)構(gòu)來提高鈦合金機(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，并初見成效。

   國內(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)燃等阻燃性能檢測技術(shù)進(jìn)行了研究。總體上，我國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加快涂層的實(shí)際應(yīng)用。

   （三）隱身涂層技術(shù)

   現(xiàn)代戰(zhàn)爭中雷達(dá)等探測技術(shù)日趨先進(jìn)，隱身涂層則有利于增加軍機(jī)的隱蔽性和戰(zhàn)場生存能力，保障戰(zhàn)斗力。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，成為近年來發(fā)展最快的隱身技術(shù)研究領(lǐng)域。
 

隱身涂層
 

   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。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。 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。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。尋找具有紅外波段高透明或低吸收性能以及良好的物理性能的粘合劑，是紅外隱身涂層的一大技術(shù)難點(diǎn)。

   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)，即具有薄（涂層）、寬（頻）、強(qiáng)（吸收）的效果。國外較早就研究了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。

   近年來發(fā)達(dá)國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F-22、F-117A、B-2以及法國幻影-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BTRRLC公司、澳大利亞國防科技組織的材料研究室、德國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、毫米波和可見光隱身功能。NorthropGrumman 公司研制的MagRAM （鐵填充彈性橡膠材料）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。

   未來發(fā)展方向：

   （1）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，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。

   （2）研究寬頻帶吸波材料，實(shí)現(xiàn)多頻譜隱身；通過多層雷達(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。

   （3）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)。

   （4）采用新型工藝提高涂層耐高溫性能，延長吸波涂層的使用壽命，解決的吸波隱身技術(shù)問題。

責(zé)任編輯：周婭

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