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航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片砂塵沖蝕防護(hù)涂層關(guān)鍵問題綜述

2018-11-16 18:18:38 作者：何光宇，李應(yīng)紅，柴艷，張翼飛，王冠來源：空軍工程大學(xué)等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí),對材料表面造成的漸近性磨損現(xiàn)象?直升機(jī)或運(yùn)輸機(jī)在沙漠地帶起降,氣流誘導(dǎo)砂塵高速吸入發(fā)動(dòng)機(jī),受砂塵顆粒的沖擊和磨損作用,壓氣機(jī)葉片外形和結(jié)構(gòu)完整性遭到破壞,導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)性能衰減?壽命降低,嚴(yán)重影響作戰(zhàn)性能和耐久性?據(jù)美國國防部統(tǒng)計(jì):“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)中,惡劣的砂塵環(huán)境使美軍直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率和維修成本大幅提高,發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用壽命不足設(shè)計(jì)值的1/8?

20世紀(jì)60年代的越南戰(zhàn)爭使美軍最早認(rèn)識(shí)到砂塵沖蝕的嚴(yán)重危害?戰(zhàn)后,美軍與加拿大的公司合作,采用在材料表面制備硬質(zhì)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(zhàn)爭中,硬質(zhì)涂層并未達(dá)到預(yù)期的防護(hù)效果,帶有涂層的壓氣機(jī)葉片依然受損嚴(yán)重?經(jīng)戰(zhàn)后分析:涂層對惡劣的服役環(huán)境的適應(yīng)性?試驗(yàn)考核體系的完備性和有效性不足是導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片受損嚴(yán)重的主要原因?

惡劣服役環(huán)境的涂層設(shè)計(jì)?制備技術(shù)和工藝的可實(shí)現(xiàn)性與穩(wěn)定性?考核體系的有效性和完備性是抗沖蝕涂層防護(hù)系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵?本文重點(diǎn)對國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片砂塵沖蝕涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?制備技術(shù)和試驗(yàn)考核三個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題進(jìn)行綜述,分析我國在該領(lǐng)域中的不足,展望我國的研究重點(diǎn)和發(fā)展前景,對提高武器系統(tǒng)的戰(zhàn)備性能?降低后勤保障需求,促進(jìn)我國高性能?長壽命?高可靠性和易維修性先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究與發(fā)展具有十分重要的指導(dǎo)意義?

1 涂層設(shè)計(jì)

涂層結(jié)構(gòu)成份和材料體系對沖蝕環(huán)境具有一定的適應(yīng)性,而且“試驗(yàn)—失效—試驗(yàn)”的常用研發(fā)模式,周期長?花費(fèi)高,部分涂層(薄膜)材料的關(guān)鍵參數(shù)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(huán)境?自然環(huán)境,設(shè)計(jì)涂層的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)韌性,選擇材料體系和成份,在沖蝕試驗(yàn)和涂層制備之前,對沖蝕行為進(jìn)行預(yù)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(huán)境適應(yīng)性

涂層的環(huán)境適應(yīng)性是指涂層對工作環(huán)境的自然因素和工況因素的適應(yīng)程度?自然環(huán)境中的溫度?濕度和腐蝕性介質(zhì)以及氣動(dòng)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(zhàn)爭中雖然考慮到當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境特性,但是,超級種馬和海上騎士等多型直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片仍受到嚴(yán)重?fù)p傷,部分發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命從設(shè)計(jì)值的3 000小時(shí)降為100小時(shí)?美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室在“美國國防特定環(huán)境砂粒沖蝕試驗(yàn)方法”報(bào)告中指出:惡劣的使用環(huán)境是造成美軍直升機(jī)在沙漠地帶受損嚴(yán)重的主要原因之一?

砂塵特性是沖蝕環(huán)境中的關(guān)鍵因素?沙漠的高溫環(huán)境導(dǎo)致砂塵堅(jiān)硬程度?顆粒外形與尺寸分布與內(nèi)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(zhàn)區(qū)環(huán)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(qū),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(yàn)試樣的質(zhì)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(jī)理,金屬材料表面遭受砂塵小角度沖蝕時(shí),磨損機(jī)制以微切削為主,而大角度(接近垂直)沖擊時(shí),沖擊產(chǎn)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(jī)制?

為提高材料表面的抗沖蝕性能,一般采用硬質(zhì)涂層材料,且硬質(zhì)涂層材料的斷裂韌性逐漸受到關(guān)注,涂層材料的硬度和斷裂韌性都是涂層十分重要的機(jī)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(biāo)為材料斷裂韌性,縱坐標(biāo)為硬度,α為材料抗沖蝕行為表現(xiàn)優(yōu)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(shí)具有較好的斷裂韌性和硬度,對全角度防護(hù)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(zhì)涂層和SiC/SiC涂層深入發(fā)展?目前抗沖蝕涂層已經(jīng)在國外的發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng)用,美國在MDS-PRAD?GE公司等單位的協(xié)助下,20世紀(jì)80年代美軍就已經(jīng)將抗沖刷涂層技術(shù)應(yīng)用在直升機(jī)?運(yùn)輸機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上?近20年來,應(yīng)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(jié)構(gòu)與強(qiáng)韌性

涂層是提高葉片抗砂塵沖蝕的有效措施?但是,復(fù)雜的沖蝕損傷機(jī)理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)簡單?性能單一的涂層無法滿足防護(hù)要求?涂層的抗沖蝕性能與涂層結(jié)構(gòu)?強(qiáng)韌性和砂塵特性等密切相關(guān)?抗沖蝕涂層發(fā)展初期,涂層硬度被普遍認(rèn)為是提高材料抗沖蝕性能的關(guān)鍵因素,高硬度的陶瓷涂層可降低砂塵沖擊時(shí)塑性變形導(dǎo)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(zhàn)爭中,超硬涂層并未達(dá)到期望的防護(hù)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(dǎo)致涂層在受到惡劣環(huán)境砂塵粒子沖擊時(shí)極易出現(xiàn)裂紋?

為提高涂層韌性,可在硬質(zhì)涂層中增加延性金屬,形成復(fù)合涂層,也可以將硬質(zhì)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(jié)構(gòu)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(lián)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(shí)沖蝕試驗(yàn)結(jié)果甚至相差2個(gè)數(shù)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(shù)對沖蝕抗力具有顯著影響,不同結(jié)構(gòu)的涂層在不同條件下的抗沖蝕性能差異較大,并非一種結(jié)構(gòu)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(yīng)用于裝備的ER7涂層微觀結(jié)構(gòu)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(jī)體相互結(jié)合?相比單層涂層,該涂層結(jié)構(gòu)具有較好的斷裂韌性和抗沖擊能力,交替的多層結(jié)構(gòu)和梯度過渡區(qū)域有利于降低涂層內(nèi)應(yīng)力,提高涂層的耐久性?目前,已在多型號渦軸?渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上大規(guī)模使用?

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

加拿大的研究人員采用三維數(shù)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(diǎn)分析復(fù)雜外形砂塵對材料表面的沖蝕損傷機(jī)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(jìn)行模擬,如圖5所示,以多層涂層的拉應(yīng)力最小化為目標(biāo),分析了涂層表面應(yīng)力的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),如圖6所示?

美國賓夕法尼亞大學(xué)的科研人員開展了多層涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究,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(hù)效果,進(jìn)一步說明某種涂層材料和結(jié)構(gòu)僅可以在特定的或一定條件范圍內(nèi)滿足沖蝕防護(hù)要求,為多層涂層系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了較好的研究基礎(chǔ)?文獻(xiàn)以多層TiN涂層發(fā)展過程中存在的問題為研究背景,針對Ti0.75X0.25C材料,發(fā)展了一種新的斷裂韌性估算方法(Density FunctionTheory,DFT),該方法計(jì)算出的彈性模量?表面能和斷裂韌性與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他理論方法計(jì)算結(jié)果具有較高的一致性,計(jì)算結(jié)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(xiàn)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(jìn)行模擬,將單個(gè)粒子沖擊與多個(gè)粒子沖擊結(jié)果進(jìn)行比較,主要目的是對DEM 方法的有效性進(jìn)行估算,相比較得到結(jié)論:切向沖擊能量和沖蝕率最大值出現(xiàn)在20°~30°,正向沖蝕能量出現(xiàn)在沖蝕角度80°,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較強(qiáng)的一致性?

2 涂層制備

涂層制備技術(shù)是實(shí)現(xiàn)涂層應(yīng)用的核心?目前,涂層制備技術(shù)繁多,然而,選擇涂層制備技術(shù),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(shù)本身的穩(wěn)定性與可實(shí)現(xiàn)性也十分關(guān)鍵?

2.1 物理氣相沉積

近年來,隨著高能真空等離子體技術(shù)的飛速發(fā)展,氣相沉積逐漸成為制備涂層的主要技術(shù)手段?氣相沉積技術(shù)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(xué)氣相沉積(Chemical VaporDeposition,CVD)2大類方法?物理氣相沉積?化學(xué)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(xué)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(jī)葉片,具有較強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)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(fā)展且應(yīng)用最多的磁控濺射離子鍍技術(shù)?

制備方法對材料疲勞性能的影響?雖然在燃?xì)廨啓C(jī)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,直升機(jī)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(jī)葉片材料在不同測試環(huán)境溫度下(800F,600F,400F即426.7,315.6,204.4℃)的疲勞性能開展實(shí)驗(yàn)研究如圖8所示,ER7涂層對3種壓氣機(jī)材料的疲勞強(qiáng)度影響不大,在可接受的范圍內(nèi),其中,鈦合金葉片對疲勞性能比較敏感,疲勞強(qiáng)度下降了約10%,可采用在葉片根部的疲勞敏感區(qū)域不制備涂層的方法保證材料的疲勞強(qiáng)度?

2.2 制備技術(shù)中的關(guān)鍵問題

材料表面制備硬質(zhì)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(zhì)涂層脆性較大,一旦表面出現(xiàn)缺陷就會(huì)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(guān)系,一直是亟待解決的難題?

此外,對于外形復(fù)雜?遮擋嚴(yán)重部件的制備問題仍是制約制備技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際裝備的關(guān)鍵問題?物理氣相沉積方法中的磁控濺射離子鍍技術(shù),在實(shí)現(xiàn)對鍍膜材料大面積穩(wěn)定濺射的同時(shí),利用特殊配置的電磁場技術(shù)控制濺射電子在真空腔內(nèi)的運(yùn)行軌跡,提高原子離化率,同時(shí)在薄膜物質(zhì)沉積的過程中伴有離子的轟擊過程,實(shí)現(xiàn)鍍膜材料的物質(zhì)沉積和能量沉積,因此,具有膜基結(jié)合強(qiáng)度高?薄膜致密?溫升低等優(yōu)勢?離子轟擊物理過程,對涂層內(nèi)部形成壓應(yīng)力以及提高基體疲勞性能等方面都存在一定優(yōu)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(yè)領(lǐng)域制備硬質(zhì)涂層的常用手段?

為確保涂層對壓氣機(jī)葉片表面的實(shí)時(shí)防護(hù),涂層與基體之間需有較高的結(jié)合強(qiáng)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(zhì)和注入能量的雙重沉積,提高涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)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(nèi)應(yīng)力,降低涂層遇沖擊開裂的可能性?此外,對涂層制備表面進(jìn)行預(yù)處理,獲得一定的清潔度和粗糙度,改善表面機(jī)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(jié)合,復(fù)合強(qiáng)化的方法也是提高結(jié)合強(qiáng)度的有效方法?ER7涂層的制備過程如圖9所示,葉片先后經(jīng)過酸洗?超聲清洗?涂層PVD 制備?特殊振動(dòng)處理?視覺檢測?金相檢測,最后投入使用?

3 試驗(yàn)體系

沖蝕試驗(yàn)體系是評價(jià)涂層設(shè)計(jì)的有效性?制備技術(shù)可控性?穩(wěn)定性以及涂層抗沖蝕性能最為直觀和有效的措施,試驗(yàn)體系的完備性和有效性直接影響涂層在實(shí)際使用中的防護(hù)能力?

3.1 美軍標(biāo)中沖蝕試驗(yàn)規(guī)范

美軍2010年發(fā)布的軍標(biāo)3033號為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片常用材料的耐砂蝕(顆粒侵蝕)性能測試提供標(biāo)準(zhǔn)?測試方法用于檢測飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抗侵蝕系統(tǒng)常用材料的耐砂蝕(顆粒侵蝕)性能?包括合成橡膠?強(qiáng)化塑膠和復(fù)合材料?金屬?陶瓷及涂層?軍標(biāo)中針對靜態(tài)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(yàn)測試,如圖10所示?

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(yīng)為(23.9±2.8)℃,相對濕度(RH)為50%?侵蝕物為經(jīng)斷裂的石英石形成的合成礦物石英砂?采用體積損失?質(zhì)量損失和涂層失效來評定沖蝕性能優(yōu)劣?

3.2 試驗(yàn)體系的完備性

美軍的軍用標(biāo)準(zhǔn)中已針對預(yù)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(fù)載量等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定?然而,軍用標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)條件與實(shí)際使用中仍存在較大差異,因此仍需建立完善的沖蝕試驗(yàn)體系,且加強(qiáng)試驗(yàn)的有效性驗(yàn)證?為考核沖蝕涂層的防護(hù)效果,美軍的沖蝕試驗(yàn)體系包括了實(shí)驗(yàn)室原理性驗(yàn)證?吞砂試驗(yàn)?疲勞試驗(yàn)?外場小規(guī)模驗(yàn)證試驗(yàn)等?

首先在實(shí)驗(yàn)室條件下開展了涂層砂塵防護(hù)效果的原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),使用粒徑為10~100μm,速度達(dá)到213?4m/s的二氧化硅沙粒沖蝕試樣,沖蝕設(shè)備運(yùn)行時(shí)間與試樣質(zhì)量損失的關(guān)系如圖11所示,由圖可知隨著磨蝕砂塵量的增加,壓氣機(jī)葉片的弦長損失量逐漸增加,當(dāng)損失量到達(dá)設(shè)定的門限值時(shí),壓氣機(jī)葉片到壽?報(bào)廢?兩條曲線的對比表明涂層能夠大幅提高壓氣機(jī)葉片的使用壽命達(dá)2倍以上,初步驗(yàn)證了涂層的砂塵防護(hù)效果?

考慮到實(shí)驗(yàn)室條件下難以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的吞砂情況,因此后續(xù)開展了涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)(T64)上應(yīng)用的試驗(yàn)研究?試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示,表明涂層的防護(hù)效果明顯?在驗(yàn)證涂層砂塵防護(hù)效果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展涂層對壓氣機(jī)葉片疲勞性能的試驗(yàn)研究工作,試驗(yàn)表明:涂層對三種壓氣機(jī)材料的疲勞強(qiáng)度影響不大,在可接受的范圍內(nèi)?最后,對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行外場小規(guī)模試用工作,試驗(yàn)結(jié)果表明:發(fā)動(dòng)機(jī)在沙漠環(huán)境下的平均裝機(jī)使用時(shí)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(yàn)證了涂層良好的砂塵防護(hù)效果?

涂層性能的考核主要包括:涂層基本力學(xué)性能?摩擦學(xué)性能指標(biāo)?靜止試樣的沖蝕試驗(yàn)?轉(zhuǎn)動(dòng)試樣沖蝕試驗(yàn)?試樣疲勞性能測試?葉片沖蝕和疲勞性能測試試驗(yàn)?發(fā)動(dòng)機(jī)吞砂試驗(yàn)及外場小規(guī)模驗(yàn)證試驗(yàn)?此外,針對特定環(huán)境應(yīng)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(dǎo)等,開展涂層環(huán)境適應(yīng)性研究?

4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀與差距

我國的全天候和全疆域作戰(zhàn)需求要求直升機(jī)和運(yùn)輸機(jī)需具備復(fù)雜地域和惡劣氣候下的作戰(zhàn)能力?然而,我國現(xiàn)役航空器其發(fā)動(dòng)機(jī)仍未采用砂塵防護(hù)措施,發(fā)動(dòng)機(jī)容砂能力差極大地限制了作戰(zhàn)使用要求?國內(nèi)很多研究單位從事抗沖蝕涂層領(lǐng)域研究,空軍裝備研究院和北京航空材料研究院在砂塵環(huán)境試驗(yàn)體系方面開展研究,為我國自行研制軍用砂塵環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備,提高軍用武器裝備對環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性提供依據(jù)?西北工業(yè)大學(xué)?西安交通大學(xué)?常州大學(xué)?裝甲兵工程學(xué)院在涂層制備?材料體系與試驗(yàn)等基礎(chǔ)領(lǐng)域已經(jīng)開展研究工作?北京科技大學(xué)和內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)研究了涂層在風(fēng)沙環(huán)境下的沖蝕磨損特性?沖蝕行為和侵蝕機(jī)理?空軍工程大學(xué)等離子體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室針對抗沖蝕涂層設(shè)計(jì)體系中存在的關(guān)鍵問題,從涂層防護(hù)性能需求?制備方法與工藝和試驗(yàn)考核等方面開展了初步研究?然而,我國的研究現(xiàn)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(jī)理研究不夠深入?砂塵環(huán)境下,基體與涂層的沖蝕損傷與防護(hù)是砂塵粒子與涂層相互作用的結(jié)果?砂塵沖擊條件下的多層涂層動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律和損傷機(jī)理,這一問題直接影響涂層的抗沖蝕性能和基體的防護(hù)效果?然而,目前國內(nèi)外在這方面報(bào)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(yīng)力波在多層涂層內(nèi)部以及涂層多個(gè)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(hù)下,基體和涂層材料的沖擊動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及沖擊最終形成的復(fù)雜應(yīng)力?應(yīng)變場狀態(tài)?同時(shí),對于陶瓷和金屬交替排列的多層涂層結(jié)構(gòu),其損傷模式和機(jī)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(yán)重影響著涂層的抗沖蝕性能?因此,急需開展多層涂層結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性和損傷機(jī)理的研究,為建立涂層設(shè)計(jì)體系奠定理論基礎(chǔ)?

2)涂層結(jié)構(gòu)與性能設(shè)計(jì)研究亟待加強(qiáng)?抗沖蝕涂層研究應(yīng)包括涂層設(shè)計(jì)?制備方法和技術(shù)以及性能考核3個(gè)主要環(huán)節(jié)?針對涂層使用環(huán)境的自然因素和工況因素對涂層結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行設(shè)計(jì),對涂層制備具有十分重要的引領(lǐng)作用?然而,我國現(xiàn)有的研究中忽視了這個(gè)環(huán)節(jié),導(dǎo)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(yàn)證?我國現(xiàn)有的試驗(yàn)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(jié)合強(qiáng)度等基本性能指標(biāo)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(shí)驗(yàn)室條件驗(yàn)證涂層的抗沖蝕性能?然而,國內(nèi)現(xiàn)有沖蝕試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備簡單?影響因素單一,沖蝕試驗(yàn)的有效性未能得到驗(yàn)證?因此,必須貼近實(shí)際環(huán)境,設(shè)計(jì)并研制沖蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)可在不同環(huán)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(zhuǎn)狀態(tài)下的試樣進(jìn)行沖蝕性能考核,可初步形成評價(jià)葉片及涂層抗砂塵沖蝕標(biāo)準(zhǔn)和體系?

4)研究系統(tǒng)性不強(qiáng)?我國多年的研究成果仍不能在武器裝備上廣泛應(yīng)用,涂層設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)性?涂層制備的可實(shí)現(xiàn)?可控和穩(wěn)定性以及涂層考核體系的完備和有效性等重點(diǎn)環(huán)節(jié)不能形成系統(tǒng)的研究體系是主要原因?涂層需求論證不準(zhǔn)確,制備方法選擇的不恰當(dāng)?工藝可靠性低,再加上考核體系無法貼近工況,最終導(dǎo)致涂層的防護(hù)能力不能滿足實(shí)際需求?

5 結(jié) 論

對國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片砂塵沖蝕問題進(jìn)行綜述,分析美軍防護(hù)涂層的發(fā)展過程,重點(diǎn)闡述環(huán)境適應(yīng)性?結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)?制備技術(shù)和試驗(yàn)體系等制約涂層發(fā)展的關(guān)鍵問題?經(jīng)過20多年的研究與應(yīng)用,目前,國際上在抗沖蝕涂層領(lǐng)域的發(fā)展正朝著材料體系不斷創(chuàng)新?涂層結(jié)構(gòu)強(qiáng)韌性匹配更加合理?設(shè)計(jì)手段不斷豐富?制備技術(shù)更加成熟?試驗(yàn)條件更為有效的方向發(fā)展?我國在抗沖蝕涂層領(lǐng)域存在機(jī)理研究不深入?缺少涂層設(shè)計(jì)以及考核體系不完善等關(guān)鍵問題,這些都是我國抗沖蝕涂層領(lǐng)域的發(fā)展方向和研究重點(diǎn),加強(qiáng)抗沖蝕涂層研究對提高我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)容砂能力與作戰(zhàn)性能具有重要的戰(zhàn)略意義?