1.背景需求

    當前，軍用直升機或運輸機在執(zhí)行任務(wù)時，經(jīng)常會在沙漠、戰(zhàn)場前線等惡劣環(huán)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(zhì)，它們隨空氣被吸入發(fā)動機后，就會給發(fā)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(fā)動機作為飛機推進系統(tǒng)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(jié)構(gòu)上，航空發(fā)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(huán)境中，空氣中含有大量的塵埃和沙粒，這些顆粒物質(zhì)在高速氣流的作用下被吸入發(fā)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(fā)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(xiàn)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(zhì)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(fā)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(fā)動機的壽命將會受到嚴重影響。統(tǒng)計資料表明，飛機在普通環(huán)境中飛行時，發(fā)動機的壽命可以達到2000h，但在沙塵環(huán)境中飛行時，在沒有抗沖蝕涂層的情況下，壽命僅能持續(xù)100h。一旦發(fā)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(yīng)”對發(fā)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(yīng)，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(chǎn)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(xiàn)為無序的運動狀態(tài)，在這種情況下將出現(xiàn)多種沖蝕失效機理相互耦合的現(xiàn)象，十分復雜。

    因此，必須采取措施來減少發(fā)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(yōu)化葉片型面設(shè)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(shù)”就要隆重登場啦~有了它，就能讓發(fā)動機“刀槍不入，百毒不侵”了~

    3.抗沖蝕涂層技術(shù)的定義

    抗沖蝕涂層技術(shù)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(yīng)力集中，進而降低疲勞源產(chǎn)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(shù)是物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD），其基于等離子體技術(shù)，具有結(jié)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(jīng)成為極具發(fā)展?jié)摿Φ耐繉又苽浼夹g(shù)。

    相比于其他方法，抗沖蝕涂層技術(shù)更便于實施，可以在發(fā)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(fā)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(shù)具有相當大的優(yōu)勢。

    4.國外研究現(xiàn)狀

    對抗沖蝕涂層技術(shù)的需求由來已久。在海灣戰(zhàn)爭中，美軍直升機的發(fā)動機由于砂粒沖蝕的破壞，壽命僅為一般無沖蝕環(huán)境下發(fā)動機壽命的1/8。在阿富汗戰(zhàn)爭中，俄軍裝備的米-17直升機在砂塵環(huán)境中使用，曾發(fā)生多起壓氣機葉片裂紋、斷裂故障，導致發(fā)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(shù)與工藝、試驗考核等方面開展研究工作，現(xiàn)已將該技術(shù)成功用于幾十個發(fā)動機型號。

    目前，國外主要將二元抗沖蝕涂層用于航空發(fā)動機上，如法國幻影戰(zhàn)機一、二級壓氣機葉片使用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直升的發(fā)動擎螺旋槳及壓氣機轉(zhuǎn)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(fā)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(jié)構(gòu)，最外層是堅硬、致密的鎳基金屬，在基體金屬和涂層之間設(shè)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(fā)動機上得到廣泛使用。BlackGold涂層是在ER?7基礎(chǔ)上發(fā)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(jié)省維修、換件和燃油經(jīng)費約1 億美元。同時，國外科研人員也開展了多層涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的研究，采用物理氣相沉積方法，將設(shè)計的2層、8層和32層等多種涂層結(jié)構(gòu)的氮化鈦/鈦涂層制備于航空發(fā)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(jié)構(gòu)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。