航空發動機篦齒類零件耐磨封嚴涂層的工藝控制

趙云，史科，詹家佳，于曉航

( 中航新大洲航空制造有限公司，北京，100013 )

0 引言

隨著航空發動機技術的不斷發展，以及對發動機內流損失的研究不斷深入，發動機的封嚴技術得到了越來越多的重視，其中篦齒封嚴技術被廣泛用于阻隔高低壓腔之間的流體泄漏[1-3]。為了提高封嚴效果，通常在帶篦齒旋轉件上涂覆一層耐磨封嚴涂層，在對磨的靜子表面涂覆可磨耗封嚴涂層或焊接蜂窩裝置。研究[4]表明，隨著封嚴篦齒間隙從1.0 mm 減小到0.2 mm，氣體實際泄漏流量減小幅度可達73%，但實際工況中，由于零件的熱脹冷縮和高速轉動造成的偏心等導致篦齒間隙是變化的，間隙過小容易導致涂層大面積脫落或零件燒蝕等情況，因此在零件機加尺寸相對穩定的情況下，封嚴涂層的厚度控制尤為重要。同時隨著篦齒間隙的減小，對涂層的質量也提出了更高的要求，目前國內關于封嚴篦齒涂層種類以及涂層性能方面有較多的研究[5-8]，但是對于篦齒涂層批生產中的厚度控制方法以及典型缺陷和解決辦法報道較少。工藝控制方法包括噴涂參數控制、涂層厚度控制、涂層性能控制以及涂層外觀控制，本文主要研究批生產過程中等離子噴涂制備篦齒封嚴涂層的厚度和外觀控制。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料及涂層制備

Ni-Al 涂層具有良好的耐磨性以及抗高溫腐蝕性，常用于耐磨封嚴涂層的底層。氧化鋁涂層具有較高的硬度、較低的摩擦系數及優良的化學穩定性，是理想的耐磨涂層，但同時存在質脆、對應力集中和裂紋敏感、抗熱震性差等弱點，而氧化鈦涂層具有耐磨性能好，不易發生化學反應，涂層韌性好等優點，在氧化鋁粉末中添加少量氧化鈦，可提高涂層韌性及結合強度。因此Ni-Al/ Al2O3-TiO2涂層在耐磨封嚴篦齒中應用廣泛[9,10]。

試片基體材料為GH4169，噴涂前處理砂粒采用70 目白剛玉，吹砂參數詳見表1，吹砂后基體表面粗糙度在Ra 2 ～ 4 μm。噴涂所使用的粉末以及牌號分別為Ni-5%Al ( METCO ) 和Al2O3-TiO2(METCO 101NS ) ，設備采用Multicoat F4 型等離子噴槍，噴涂參數詳見表2，涂層典型金相顯微組織如圖1 所示，底層涂層厚度為0.10 mm - 0.15 mm，面層涂層厚度在0.2 mm - 0.25 mm，底層孔隙率小于2%，有少量氧化物，面層孔隙率小于2%，未見界面分離、分層、氧化簇等缺陷。

圖1 Ni-5%Al/ Al2O3-TiO2 涂層金相顯微組織圖：( a ) Ni-5%Al 涂層金相顯微組織圖； ( b ) Al2O3-TiO2 涂層金相顯微組織圖Fig.1 Metallographic microstructures of Ni-5%Al/ Al2O3-TiO2 coating:( a ) metallographic microstructures of Ni-5%Al coating, ( b ) metallographic microstructures of Al2O3-TiO2 coating

表1 吹砂參數Table 1 Sandblasting parameters

表2 等離子噴涂參數Table 2 Plasma spraying parameters

1.2 涂層性能測試及表征方法

1.2.1 涂層金相顯微組織觀察以及涂層厚度測量

采用Leica DM ILM LED 型金相倒置顯微鏡對涂層金相顯微組織進行觀察，其中實驗室涂層厚度測量在顯微鏡自帶圖像處理軟件中進行。底層涂層厚度定義為底層表面的平均值和基體/底層界面的表面平均值之差，面層涂層厚度定義為面層表面的平均值和底層表面的平均值之差，所有涂層厚度均在100 倍下進行測量。詳細測量過程為：( 1 ) 對試片或零件涂層各區域進行拍照；( 2 ) 在基體/底層界面、底層表面以及面層表面水平畫線得到各個表面波峰-波谷的平均值；( 3 ) 測量各平均值間的數值即可得到相應的涂層厚度。

現場試片涂層厚度測量采用直徑最小為 2 mm的平頭千分尺，分別測量3 個不同的位置后求取平均值。

1.2.2 對比關系建立

由于零件篦齒形狀限制，在批生產過程中無法對其所有區域涂層的厚度進行直接測量。本文對于篦齒涂層厚度的測量，采用了一種間接的對應關系來對其監控，具體方法為：在工藝驗證階段使用材質與零件相同或相近的試片與零件一同噴涂，通過工裝的設計，使試片的噴涂角度、噴涂距離以及線速度與零件相同，之后對其進行解剖制樣，在顯微鏡下分別測量試片和篦齒所有區域涂層的厚度，由于涂層沉積過程為層狀不斷累積的過程，因此可認為試片的涂層厚度與篦齒涂層厚度之間為線性關系，之后建立起試片涂層厚度與篦齒齒尖和齒側的涂層厚度對應關系，并將此關系應用于批生產階段，通過對試片涂層厚度的測量來實現對零件涂層厚度的監控。

2 篦齒封嚴涂層的厚度控制

篦齒類零件噴涂區域幾何形狀不規則，圖2所示為某型號發動機低壓部分零件噴涂區域示意圖，以此為例，為保證良好的密封效果，除需滿足相應的金相 ( 孔隙率、未熔顆粒、氧化等級、裂紋等 ) 以及結合強度等性能指標外，還需要滿足涂層厚度要求（表3），不同噴涂區域厚度不同且涂層厚度需均勻過渡。

圖2 封嚴環篦齒噴涂區域示意圖Fig.2 Sealing ring labyrinth seal spraying area diagram

表3 封嚴環篦齒涂層厚度要求Table 3 Coating thickness requirementsfor sealing ring labyrinth

2.1 試片涂層厚度與零件涂層厚度對比關系

試片和零件涂層厚度測量結果見表4，由于篦齒形狀復雜導致篦齒齒尖和齒側區域噴涂距離和噴涂角度有差異，篦齒齒尖和齒側區域的涂層厚度不同。為方便批生產控制，建立試片和篦齒涂層厚度間的對比關系，以試片涂層厚度為橫軸，篦齒涂層厚度為縱軸作圖 ( 如圖3 和圖4 所示 ) ：將齒尖和齒側涂層厚度的最大/最小值分別與坐標原點連線 ( 分別對應圖中的黑線和紅線 ) ，兩條線所夾的區域為不同試片涂層厚度對應在零件齒尖和齒側的涂層厚度范圍；齒尖和齒側涂層厚度要求如表2 所示分別為0.05 ～ 0.2 mm和0.03 ～ 0.2 mm，將其在圖中標注 ( 紅色虛線部分 )；以篦齒齒尖區域涂層厚度為例，涂層厚度上下限分別與上述所劃黑線相交，通過交點可分別對應出試片上的涂層厚度上下限，將兩者取交集，即圖中P1 和P2 對應的橫坐標數值范圍，當試片涂層厚度在此范圍內時，篦齒齒尖涂層厚度滿足0.05 ～ 0.2 mm 的涂層厚度要求；采用此方法可得出篦齒齒側涂層厚度滿足要求時，試片的涂層厚度范圍。

圖3 試片和篦齒底層涂層厚度對應關系圖Fig.3 Correlation of BC thickness between coupon and labyrinth

圖4 試片和篦齒面層涂層厚度對應關系圖Fig.4 Correlation of TC thickness between coupon and labyrinth

表4 試片和篦齒涂層實驗室檢測結果Table 4 Laboratory test results of coupon and part coating

由圖3 和圖4 中所示試片涂層和篦齒涂層間的對應關系，采用上述計算方法可得出試片涂層厚度要求：BC ( 底層 ) : 0.13 ～ 0.22 mm；TC ( 面層 ) : 0.16 ～ 0.31 mm。

通過此關系圖即可指導現場的生產任務，如當試片涂層厚度為150 μm 時，對應篦齒齒尖區域涂層厚度范圍為50 μm -130 μm，齒側涂層厚度范圍為70 μm - 120 μm。

2.2 生產現場試片涂層厚度與實驗室測量涂層厚度對比關系

2.1 節中所有結果均為實驗室測量結果，在批生產中由于生產效率以及批次控制問題，需在現場及時了解零件噴涂涂層厚度。通常生產現場測量涂層厚度采用最小直徑2 mm 的千分尺測量，而實驗室測量涂層厚度為顯微鏡下通過截面進行測量，測量方式的不同導致測量結果不同，因此實驗室結果不能直接應用于現場批生產的工藝控制過程。

圖5 為千分尺和顯微鏡兩種測量方式的結果示意圖，涂層表面高低起伏，千分尺測量的為最高點，而實驗室測量值為波峰和波谷的平均值，波峰和波谷的差值主要與粒子的熔融狀態以及飛行速度有關，通過工藝控制，對于同一零件其表面起伏程度我們可以認為是穩定的，因此，可以在兩者間建立某種對比關系，從而實現涂層厚度的批生產控制。

圖5 千分尺和顯微鏡涂層厚度測量結果對比Fig.5 Comparison of coating thickness measurement results between micrometer and microscope

表5 為現場和實驗室涂層厚度測量數據的統計結果。由表5 可知，對于底層涂層，現場厚度測量值明顯高于實驗室；對于面層涂層，現場厚度測量值低于實驗室測量值，但幅度較底層小。這是由于金屬底層和陶瓷面層粉末粒度、熔融狀態以及易變形程度的不同，導致金屬底層表面起伏較陶瓷面層大，經測量金屬底層表面粗糙度在Ra 15 ～ 20 μm，陶瓷面層表面粗糙度在Ra 8 ～ 10 μm。

表5 現場和實驗室涂層厚度測量結果Table 5.Coating thickness results measured on site and in lab

對表5 數據進行數據統計分析，結果見表6，由表6 可知，實驗室底層涂層厚度/現場底層涂層厚度= 0.738，實驗室面層涂層厚度/現場面層涂層厚度= 1.142。

表6 現場和實驗室涂層厚度測量結果分析( mm/mm )Table 6 Coating thickness results measuredon site and in lab ( mm/mm )

結合2.1 節實驗室測量的試片涂層厚度結果BC(底層): 0.13 ～ 0.22 mm；TC ( 面層 ) : 0.16～ 0.31 mm，計算出現場的涂層厚度要求：BC:0.176 ～ 0.298 mm；TC: 0.14 ～ 0.27 mm。

2.3 對比關系在批生產中的應用

批生產中篦齒直徑方向涂層厚度控制在 ( 0.35± 0.05 ) mm，工藝上設定涂層厚度：底層0.1 ～ 0.15 mm，面層0.2 ～ 0.25 mm。依據2.1 中對比關系的建立方法對篦齒直徑方向涂層厚度建立對比關系 ( 如圖6 和圖7 所示 ) ，對應試片涂層厚度范圍為：BC: 0.12 ～ 0.17 mm；TC: 0.24 ～ 0.30 mm。但2.1 中底層涂層厚度范圍為0.13 ～ 0.22 mm，因此對于直徑方向涂層厚度控制范圍應為：0.13 ～0.17 mm。

圖6 試片和篦齒直徑方向底層涂層厚度對應關系圖Fig.6 Correlation of BC thickness between coupon and labyrinth

圖7 試片和篦齒直徑方向面層涂層厚度對應關系圖Fig.7 Correlation of TC thickness between coupon and labyrinth

根據2.2 中的系數計算得出現場涂層厚度控制范圍為：BC: 0.176 ～ 0.23 mm，TC: 0.21 ～ 0.26 mm。

3 篦齒封嚴涂層的外觀質量控制

涂層的質量包括金相顯微組織和結合強度等涂層性能指標以及涂層外觀質量，其中金相顯微組織和涂層性能指標主要受粉末種類、噴涂工藝參數以及噴涂路徑等影響，涂層外觀質量除與工藝參數有關外，噴涂的工裝保護方法對其也有著不可忽視的影響。

為了確保噴涂區域滿足圖紙的要求，需要設計工裝對非噴涂區域進行保護，目前多數的保護方式為在零件上粘貼膠帶，之后再用金屬工裝進行保護，這種方式在批生產過程中存在以下問題： ( 1 ) 涂層容易在工裝與零件的交界處產生堆積或毛刺 ( 如圖8 所示 ) ； ( 2 ) 膠帶的邊緣位置易壓在涂層下面，不易去除。

圖8 膠帶保護導致的涂層毛刺Fig.8 Coating bur caused by tape protection

涂層堆積會造成該處涂層厚度過厚，不易于整體涂層厚度的控制；涂層毛刺以及下面有膠帶的涂層在服役過程中會因為此處涂層結合強度較低而脫落，進而對發動機部件產生不良的影響，因此這些缺陷均需在加工后進行手工去除，增加了人工和時間成本，且不利于質量控制。目前膠帶保護及手工去毛刺的操作已成為制約噴涂行業批生產效率和質量提升的一個重要因素，因此需要通過工裝的優化來實現涂層在過渡區域的平滑過渡并消除涂層毛刺。

本文中采用了一種自主開發且經認證的耐高溫硅橡膠以及金屬工裝共同保護的方法，硅橡膠具有可重復使用、快速安裝、成本低、不易沉積涂層等優點，通過硅橡膠形狀的設計可有效的消除涂層邊緣毛刺，硅橡膠和金屬工裝設計有一定的遮擋角度，在噴涂過程中涂層在邊界處被遮擋，從而形成涂層厚度由無到有的平滑過渡，工裝示意圖以及噴涂外觀如圖9 所示。

圖9 保護工裝以及涂層外觀形貌圖(a) 篦齒封嚴零件噴涂保護工裝； (b) 篦齒封嚴零件涂層噴涂態外觀形貌圖Fig.9 Images of masking method and coating appearance(a) coating protective masking for labyrinth sealing parts , (b) appearance of as sprayed coating of labyrinth sealing parts

4 結論

( 1 ) 篦齒零件形狀復雜，通過采用硅橡膠和金屬工裝共同保護的方式，可有效避免涂層局部堆積情況并消除涂層邊界的毛刺等缺陷。

( 2 ) 通過在工藝驗證階段建立實驗室測量的試片和零件間涂層厚度的對比關系，可實現批生產中對于篦齒涂層厚度的間接監控；通過建立實驗室測量試片涂層厚度和現場測量試片涂層厚度