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长三角G60激光联盟导读
中国科学技术大学材料科学与工程学院、中国科学院金属研究所师昌绪先进材料创新中心及中国科学院金属研究所航发材料摩擦学辽宁省重点实验室的科研人员综述报道了航空发动机叶片尖端防护涂层研究进展。相关论文以“Protective coatings for aeroengine blade tips: a review”为题发表在《Journal of Materials Science》上。
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良好的气路密封是提高航空发动机推重比和燃料效率的关键，这就要求转子叶片尖端和相应密封件之间的径向间隙要小，尽量减少压缩气体的损失。由于使用中的极端条件（如1500°C的高温、40atm的高压和400m/s的高线速度），叶片尖端的磨损、氧化和热腐蚀等问题日益突出。叶片尖端防护涂层是改善这些问题的有效方法。本文总结了叶片尖端防护涂层的组成和分类。重点介绍了不同叶片尖端防护涂层的设计理念和制备技术。还指出了相应叶片尖端防护涂层存在的问题以及制备技术的优缺点。在此基础上，总结了叶片尖端防护涂层的评估方法。最后，对叶片尖端防护涂层的发展趋势进行了展望。航空发动机作为动力装置的核心系统，是发展航空航天技术和国家其他重大需求的重要保障之一。由于航空发动机需要极其精细复杂的制备工艺，其制造水平一直是衡量一个国家整体工业水平的标杆。近年来，随着航空工业的发展需要，高推重比、高燃油效率的航空发动机逐渐成为研究热点。先进航空发动机的进气温度和燃气压力与日俱增，使得热端涡轮的服役环境越来越严峻[1,2,3]。图1a显示了先进航空发动机和涡轮机部件的工作温度和压力。温度和压力的不断升高对作为航空发动机核心关键部件的涡轮叶片提出了更严格的要求。![]()
图1.a先进航空发动机和涡轮部件的工作温度和压力[1,2,3]；b航空发动机关键部件的材料组成[4,5]；c不同制造工艺下涡轮叶片的微观结构[6]；d涡轮气路密封原理[8]；e可磨蚀涂层的发展及其应用温度[10]；f叶片和可磨蚀涂层接触时的典型损坏形式[11]。
涡轮叶尖的损坏不仅严重缩短了涡轮叶尖的返修和大修寿命，也给航空发动机带来了严重的安全隐患，甚至在一定程度上制约了航空发动机性能的进一步提高。考虑到镍基单晶超合金的不可替代性，以及提高整机效率必须满足气道间隙小的设计要求，在不牺牲其他性能的前提下，通过适当的表面改性技术对涡轮叶尖进行表面耐磨强化，自然成为解决问题的突破口，也是学术界关注的焦点。为了保证有效切削并避免叶尖损伤，叶尖防护涂层的应用成功地解决了这一问题。最初，叶尖防护涂层的设计主要基于双体磨料磨损的概念。目前报道的叶尖防护涂层主要由韧性金属基体（锚定相）和硬质陶瓷颗粒（切削相）[14]组成。叶尖防护涂层的作用形式通过以下方式实现：在发动机首次运行时，叶尖防护涂层在壳体表面的可磨损涂层上切割出一条轨迹。在这个过程中，叶尖的防护涂层避免了损坏，如叶片的磨损。在后续运行中，叶尖位于该轨迹内，从而最大限度地减少了压缩空气的损失[3,11,15]。因此，叶尖防护涂层具有改善气路密封性能和保护叶片的双重使命。根据对发动机叶尖失效原因的分析，对叶尖防护涂层提出了以下性能要求，包括优异的抗氧化和热腐蚀性能、良好的高温耐磨性、优异的高速摩擦性能、良好的高温强度和界面相容性。图2显示了叶尖防护涂层的作用形式及其性能要求。![]()
图2.叶尖防护涂层的作用机理及性能要求。
目前，叶尖防护涂层系统主要分为单层涂层和复合涂层两种[28]。单层涂层一般由金属或陶瓷颗粒组成，如氧化铝涂层、MCrAlY涂层、ZrO2陶瓷涂层等。然而，单层涂料的特点是结构单一，综合性能差。复合涂层通常包括三种类型，即层状复合涂层、金属/陶瓷颗粒复合涂层和层状/陶瓷颗粒复合涂层。与单层涂层相比，复合涂层的结构设计在提高叶片尖端综合防护性能方面具有更大的优势。因此，叶片尖端复合涂层的结构设计和制备受到研究人员的青睐。下面详细描述了单层和复合涂层的组成和特性。![]()
图3.叶尖防护涂层的组成和分类。a单层陶瓷颗粒[31]；b单层金属涂层[29]；c外露陶瓷颗粒[41]的金属/颗粒复合涂层；d封装陶瓷颗粒的金属/颗粒复合涂层[42]；e金属/陶瓷梯度层状复合涂层[36]；f金属结合层/陶瓷顶层层状复合涂层[38]；g结合层/耐磨颗粒/覆层的层状/颗粒复合涂层[39,40]。
对于涡轮叶片而言，涂层制备工艺的选择与涂层成分或结构的设计同样重要。一般来说，涂层制备工艺的选择原则应遵循以下几点：（1)与叶身不同，叶尖的使用环境更为恶劣。在叶片尖端与可磨涂层接触的过程中，为防止涂层脱落，所选择的制备工艺应提供涂层与基材之间较高的结合强度；(2)考虑到叶尖的独特性（如高裂纹敏感性和薄壁结构），应尽量减少对叶片的损伤。应尽可能放弃熔化或加热等手段，避免因叶片微观结构退化而造成机械性能下降；（3)目前，叶尖防护涂层的设计主要基于双体磨粒磨损的概念。陶瓷颗粒的引入提高了涂层的切削性能，并防止了叶尖的急剧升温。因此，制备技术应能实现陶瓷颗粒与金属基体的复合；（4)制备技术应使涂层具有均匀的元素组成和稳定的微观结构，并应避免引入缺陷，如裂纹和空隙；（5)制备工艺的选择应根据涂层的结构或成分进行调整。图4概述了制备叶尖防护涂层的工艺或技术的发展。图4中的结果按照时间轴进行划分。从图4可以看出，研究者对叶尖防护涂层制备工艺的研究可以分为四个阶段，分别是复合电沉积的应用阶段（第一阶段）、陶瓷颗粒防护涂层的开发阶段（第二阶段）、功能层的开发阶段和新技术的应用阶段（第三阶段）以及复合技术和复合涂层的设计（第四阶段）。值得注意的是，陶瓷颗粒的选择和失效一直是叶尖防护涂层开发中的一个突出问题。因此，本节也将回顾陶瓷颗粒的发展历史。接下来是按图4所示顺序的详细介绍。![]()
图4.叶片尖端防护涂层制备工艺或技术的发展历程。
涡轮叶尖保护涂层主要受到高温氧化、高温热腐蚀和高温互渗的影响。叶尖防护涂层与可磨涂层之间会形成自然摩擦副。当它与陶瓷基可磨蚀涂层摩擦时，需要良好的高温耐磨性来保护叶尖免受磨损。为了探索叶尖防护涂层的失效机理并准确评估其性能，有必要进行符合使用条件的模拟试验。因此，除了涂层对基材力学性能的影响外，还需要对涂层的环境适应性进行测试，主要包括高温氧化和耐热腐蚀试验、高温耐磨试验、高温互渗试验和高速摩擦试验等。![]()
图5.a氧化5小时和200小时后NiCrAlYSi+NiAl/cBN涂层的表面形貌[89]；b热腐蚀100 小时后NiCrAlYSi+NiAl/cBN涂层的横截面形貌[89]；c氧化100小时后NiAlTa涂层的横截面形貌[90]；d在混合盐中热腐蚀100小时后NiAlTa涂层的横截面形貌和EPMA元素分布[90]。
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图6.a Yang等人使用的高温摩擦磨损仪示意图[33]；b NiCoCrAlYTa/Y2O3涂层在900℃下磨损痕的表面形貌[33]；c J.R.Davenport等人使用的高温摩擦磨损仪示意图[56]；d MCrAlYX/cBN涂层在1100℃下磨损10分钟后的表面形貌[56]。
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图7.a Sulzer（高速摩擦试验机）[101]；b Praxair Surface Technology Co.（普莱克斯表面技术有限公司）[16]；c法国国家航空和航天局[105]；d中国科学院金属研究所[13]。
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图8.a Ni/cBN涂层与NiCrAl-bentonite可磨涂层摩擦后的表面形貌[116]；b Cr(Al)N涂层与NiCrAl-bentonite可磨涂层摩擦后的表面形貌[116]；c Ni/cBN涂层与Al/hBN可磨涂层摩擦后的表面形貌[117]；d Ni/Si3N4涂层与Al/hBN可磨涂层摩擦后的表面形貌[117]；e与YSZ陶瓷基可磨涂层摩擦后，Inconel
718裸叶片和cBN颗粒增强型Inconel 718叶片的叶长变化[106]；f与YSZ陶瓷基可磨涂层摩擦后，Inconel 718裸叶片和cBN颗粒增强型 Inconel 718叶片的宏观磨损形貌[106]。
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图9.a McGregor等人开发的基于CALPHAD的预测模型[123]；b流程图[123]；b真空下互扩散实验流程图[124]；c
NiAlTa/DD5扩散耦合物的微观结构演变和元素互扩散行为[124]；d NiCrAlYSi+NiAl/cBN涂层与基体界面的微观结构演变和EDS图[125]；e三点弯曲试验示意图[125]；f NiCrAlYSi+NiAl/cBN涂层与基体的典型载荷-位移曲线[125]。
航空发动机叶片的运行环境十分恶劣，尤其是叶片的尖端部分。叶片的使用寿命通常与叶尖有关。叶片尖端防护涂层不同于叶片本体涂层，需要具有良好的抗氧化性和耐热腐蚀性、良好的界面相容性、高温耐磨性和切削性能。目前，关于叶尖防护涂层的研究相对较少，而相关涂层技术具有巨大的潜力和良好的发展前景。与大多数保护涂层类似，叶尖涂层仍有许多问题有待解决。因此，在前面回顾相关涂层研究进展的基础上，从成分设计和结构优化、制备工艺或技术的发展、失效评估手段和失效模型的建立、失效分析设备的发展等方面展望了叶尖保护涂层的发展趋势。结果见图10。![]()
图10.叶尖防护涂层的发展趋势。
本文根据文献报道总结了叶片尖端防护涂层的组成和分类。根据时间轴回顾了不同叶尖防护涂层的设计理念和制备技术，总结了不同制备技术或工艺的优缺点。根据叶尖防护涂层的性能要求，总结归纳了叶尖防护涂层的评价方法。在综述相关涂层研究进展的基础上，从成分设计与结构优化、制备工艺或技术的发展、失效模型的建立、失效分析设备的开发等方面展望了叶尖防护涂层的发展趋势。
论文链接：
Yang, S., Wu, B., Gao, S. et al. Protective coatings for aeroengine blade
tips: a review. J Mater Sci 59, 19424–19449 (2024).
https://doi.org/10.1007/s10853-024-10296-1
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