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陶瓷、金属表面的TC涂层技术
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航空发动机中的生产技术

从喷气发动机开始应用以来,人们一直在不断努力进步发动机的性能。以进步喷气发动机推力、燃料消耗比为特点的高性能及环境适应性要求,一年比一年高。
为满足(适应)这些高性能的要求,对发动机本身的轻量化、透平发动机的高温化及压缩机的高压化等提出了更高的要求,在生产技术上也需有大的发展。生产技术决定了竞争力,表面改性技术是竞争力中的关键。

 

(1)表面改性(功能膜形成)技术
为适应高温化,在新材料开发、表面改性(功能膜形成)技术开发、冷却结构设计和生产技术开发上都得到了发展。
在航天航空领域中,喷气发动机等金属零部件上的功能膜形成技术有CVD、PVD、电镀、喷涂、堆焊等,这些技术的缺点是设备投资大,对技能的依靠性强,且有些工艺需增加清洗、制作掩膜等预处理工序及除往掩膜、边界处理等后处理工序,有些还会产生热变形、膜体剥落等题目,不适于流水线生产。

 

(2)新功能膜成形技术
IHI和三菱电机开发了一种能集成在机械加工生产线、可制备各种功能膜的新型成形技术,即在放电涂层技术的基础上对模具及工具加工表面进行涂层的新技术。采用该新涂层技术,金属陶瓷薄膜、厚的金属堆焊层以及金属陶瓷和金属的混合层都能形成。由于利用了放电能量,故称之为MS涂层(微弧涂层)。在此技术基础上,进而开发出了适用于各种零部件的功能薄膜或堆焊层。


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TC涂层技术
TC涂层技术是采用含金属或陶瓷等成分的电极进行放电表面处理,形成耐久性、耐磨性优异的高质量功能薄膜技术。由于不需要熟练操纵职员和前后处理工序,适合于自动化生产线;又因不需要昂贵的蒸发炉等设备,简化了制造工程,用度大大降低。


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(1)TC涂层的原理
将由涂层材料粉末做成的电极与被处理材料放进尽缘油中加电压,此时,电极与被处理材料间开始脉冲放电(每秒约1万次),电极材料逐渐向基体迁移,材料溶融接合,形成薄的陶瓷涂层或厚的金属堆焊层。通过选用不同的电极和加工条件,能形成致密光滑或疏松带孔的涂层组织。

 

(2)TC涂层的主要优点
金属表面涂层的主要方法有堆焊、喷涂、电镀等,MS涂层和这些方法相比有如下优点
表1 TC涂层和其它技术的比较
特性:TC涂层-电镀-堆焊-喷涂
集成于生产线:轻易-困难-困难-困难
用度:小-大-中-大
前后序处理:几乎不需要-掩膜保护-需精加工-掩膜保护
质量:稳定-可剥落-产生裂纹-可剥落
变形:没有-没有-大-有
涂层材质:陶瓷、金属-金属-金属-陶瓷、金属

 

环境:

①基体变形极小,没有裂纹
焊接时焊接部分的热胀冷缩很大,极易产生变形及裂缝。TC涂层时产生的是微量级的微细脉冲放电,由于在其局部反复进行溶融接合,基体的收缩受到限制,因此变形很小,没有裂纹。

 

②涂层薄膜不会剥离
采用喷涂、电镀等方法时金属仅附着在基体的表面,有剥离的可能性,而MS涂层是溶融接合,不会产生剥离。

 

③能在要求位置上加工,毋需前处理工序
由于TC涂层只在电极和基体放电处天生涂层,因此不像喷涂、电镀等工艺需掩膜保护等前处理工序。

 

④不依靠于技能就能确保可靠的质量
传统的溶接作业,为了保证质量,需要熟练技工手工作业,而采用TC涂层设备,不依靠于熟练技工,就能确保质量的可靠。

 

⑤组建小规模生产线成为可能
喷涂、电镀等设备规模大才能组成生产线,而MS涂层设备规模小,能方便组成生产线。


应用实例和可应用场合
TC涂层技术在喷气发动机中的应用有的正在进行试验,有的已在飞机上进行了实际工况的验证。


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(1)高温耐磨实例
低压透平动叶片凸缘的摩擦面上堆焊了含铬的钴合金。采用焊接工艺时,有大量余量须手工后序往除。而TC涂层能堆积成所要求的厚度尺寸,不需再加工。
由该堆积层采用传统焊接法和TC涂层法的磨损状况比较可以看出,从低温到高温,TC涂层都没有多大的磨损。
试验条件:表面压强:7MPa;振幅:1mm;摩擦次数:100万次。
采用TC技术涂覆TiC涂层的零件比未涂层的同一种零件的耐磨性要优良得多。

 

(2)耐磨损实例

 

①对低压透平动叶片凸缘0.7mm厚的密封端部涂覆了金属陶瓷。将涂层件与静止件蜂窝密封部分摩擦,蜂窝密封处已出现一定程度磨损时,涂层件没有磨损,无涂层时就有磨损,蜂窝上形成了金属材料的转移。

②压缩机动叶片端部内侧曲面上涂覆15μm厚的金属陶瓷,空气密封所用密封的厚0.3mm顶端涂覆金属陶瓷。当有摩擦时,只是静止零件的密封部分被磨损,自身没有磨损。由于叶片端部磨损后,发动机性能下降,需进行定期检查和堆焊修补,采用TC涂层后,大大减少了堆焊修复的频率。

 

(3)堆焊修理实例
①用镍合金制成的压缩机动叶片的端部堆焊0.4mm的钴合金。叶片前缘和后缘厚度仅为0.2mm,但却可以堆焊0.4mm厚的钴合金。
②在单向凝固的镍合金材料透平机动叶片前端堆焊0.4mm的钴合金。在单向凝固材料上进行焊接是很困难的,须没有焊接裂纹,且需保证前端部的凹度,采用微弧堆焊是可行的工艺方案。
③镍合金的低压透平机静止叶片位置的沟槽侧面堆焊0.4mm的钴合金。即使是狭窄的沟槽,只要电极能接近,就可以进行微弧堆焊和涂层。
④在镍合金工件外圆上使用小电极可对回转工件进行均匀的金属堆焊。并可方便地对不答应变形的已加工完成的工件进行修补。

 

(4)轴的涂层实例
使用小电极,将工件回转,能在镍合金的外圆上均匀涂覆金属陶瓷。涂覆后工件表面硬度可达HV2000,耐磨性得以进步,且金相组织结构没有发生改变。
欧佩特公司正在喷气发动机领域大力推广TC技术,它特别适用于耐高温、高压及高速回转时耐磨损要求的喷气发动零部件。