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海上飞机发动机叶片的腐蚀失效与防护层

时间:2011-04-23  作者:秩名
2.6热腐蚀和高温氧化

热腐蚀是金属表面由于氧化以及与硫化物或其它污染物(氯化物等)反应的复合效应形成Na2SO4熔盐,沉积在叶片表面,使金属表面正常的保护性氧化物熔解、离散和破坏,造成高温下叶片的氧化加速。引起发动机涡轮叶片热腐蚀的因素是发动机含硫的气态工作成分和海盐粒子。目前,随着飞机在海洋环境下飞行时间轮入口温度的增加,涡轮叶片热腐蚀的问题也更加突出,因此采取热腐蚀防护措施也尤其必要。

3压气机叶片的防护涂层

叶片的腐蚀控制是一个系统工作,包含材料和结构设计、机加工、表面防腐处理、发动机使用维修等多个方面内容。表面施加耐腐蚀防护层只是其中一个环节。在腐蚀介质和使用停放环境相对不变的条件下,这也是最有效的措施之一。防护层的防腐机理有电化学防护和障碍性防护两种。电化学防护包括牺牲阳极保护和外加电流阴极保护,相对而言,牺牲阳极保护比阴极保护的适用性更好一些。障碍性防护是采用物理、化学或电化学的方法,在叶片表面沉积、涂覆单层或多层防护层,或使叶片表面的化学成分、组织结构发生改变,生成结构致密的保护层,隔绝基体与盐雾介质的接触。在具体应用中,以采用二者合一的复合防护层为最佳,如钢叶片的防腐。而铝由于在海洋环境中的腐蚀电位较低,一般可以用作钢铁的牺牲阳极,但铝合金本身的腐蚀防护以障碍性防护为主。

3.1铝合金叶片的表面防护

目前铝合金表面障碍性防护涂层有很多种类,按成分划分有多孔氧化铝膜、致密陶瓷层、表面改性合金薄膜、聚合物膜、溶胶—凝胶膜等多种,所应用的表面处理技术包括化学转化、电化学转化以及一些新的方法。应用最普遍的是化学氧化或阳极氧化后涂漆。

在铝合金表面生成蜂窝状结构的多孔氧化膜的方法是化学转化和阳极氧化。多孔膜层经填充后可使氧化膜体积膨胀,致使膜孔缩小封闭,达到提高耐蚀性的目的。化学转化是金属表层原子通过化学反应,与溶液介质中的阴离子或原子结合,在铝合金表面生成与铝基材附着良好的耐蚀薄膜。铝合金的化学氧化工艺按溶液性质分为碱性氧化和酸性氧化。国外广泛应用的Aloding 氧化或Alocron氧化都属于酸性氧化,其耐蚀性优于一般化学氧化膜。阳极氧化是用铝合金作阳极,用铅、碳、不锈钢作阴极,在草酸、硫酸、铬酸等溶液中电解,生成以无水γ—Al2O3为主要成分的膜层。铝合金的阳极氧化工艺种类很多,目前应用最广泛的是硫酸阳极氧化。此外,在上述工艺基础之上发展起了特种阳极氧化方法如硬质阳极氧化、瓷质阳极氧化,可以极大提高氧化膜的耐蚀性和耐磨性。科技论文。

和多孔氧化膜相比,在铝合金表面生成陶瓷膜的防护系统的耐蚀性要更好,工艺方法有等离子喷涂加激光重熔、离子束辅助沉积、化学气相沉积、溅射沉积、微弧氧化(原位生成)等。这些工艺多涉及真空和高温,技术投入很大,目前基本上都处于实验室研究阶段,得到的膜层结构致密,与基体的结合牢固,耐蚀性很好,可极大提高铝合金在海洋环境中的耐蚀性,但是这些防护膜都存在微缺陷(如裂纹、气孔等),目前还不能从工艺上彻底解决。同时因为涂层很薄,生成速度过低,距离大批量生产应用还有一段距离。

3.2不锈钢叶片的防护层

用于不锈钢表面防腐的涂层有表面转化膜、合金涂层、陶瓷涂层、金属—非金属复合涂层等。

表面转化膜包括表面磷化膜和表面氧化膜,工艺简单,应用很普遍。但两种转化膜的使用温度都有限制(磷化膜低于150℃,氧化膜温度低于200℃),因此不适宜发动机叶片的防腐。

合金涂层有ZnAI合金防护、AIMg合金涂层、NiCr合金涂层以及AI、Ni—Cr复合涂层等。ZnAI合金防护、AIMg合金涂层是利用AI、Mg等元素的化学腐蚀电位比钢铁低,从而形成牺牲阳极保护。而NiCr合金涂层可以提高钢表面的电极电位。另外目前研究和应用较多的还有Ti-TiN、Ti—Mo合金涂层。多次重复实验的结果表明:低Mo的Ti—Mo合金涂层在氯离子含量大的海洋环境中抗蚀能力非常强,比Ti-TiN复合涂层好,完全适应海上工作的需要,并且耐冲刷能力强,可应用在压气机整流器的叶片上。

陶瓷涂层有氧化铝-氧化钛、氧化铬以及搪瓷等,涂层具有结构致密、防护效果好、表面硬度高、耐冲刷等优点。但成本较高,生产工艺还不是十分完善,距离实际应用目前也有一段距离。

金属—非金属复合涂层是金属涂层覆盖在钢叶片表面作为牺牲型阳极,非金属涂层在金属涂层上面,起到隔离作用。科技论文。这种体系克服了金属涂层存在微孔的缺点,增强了涂层的耐蚀性。在解决了疏松、抗冲刷能力差等问题后发展起来的各种涂层,已经在国内外一些发动机上采用,并取得较好的防腐效果。如广泛应用于压气机静子叶片上的Serwetel w涂层、WZL(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)都属于中温无机盐铝涂层,涂层由大量铝和无机盐构成,铝可对不锈钢中的铁形成阳极保护。

4 涡轮叶片的热腐蚀防护层

在涡轮叶片表面施加热障陶瓷涂层是隔绝燃气、防止热腐蚀发生的有效方法。目前研究应用较深入的是金属热扩散渗层及热喷涂涂层。渗层或涂层按元素组成分单元、双元、多元渗层或涂层。

单元渗层为单纯渗铝层。渗层的抗氧化性和抗H2S腐蚀性好,但不耐热腐蚀。双元渗层为Al—Cr、Al—Si、Al—Ti、Al—Ni、Al—Pt共渗层,耐热温度较单纯渗铝层高,但渗层容易与基体产生元素互扩。为此在渗铝前先镀铂或铑。但铂和铝在某温度范围内易生成脆性化合物,目前已用钯替代铂。严重腐蚀条件下或1100℃以上时双元渗层也会受到限制,于是发展了MCrAlY(M为Ni、Co、或NiCo)合金防护层,其制备方法有真空等离子喷涂、电子束物理气相沉积(EB—PVD)等。公认最好的方法是EB—PVD法。使用证明这是目前用于高温部件的最耐用防护层。

在MCrAlY合金防护层的基础上发展了性能最好的陶瓷热障涂层,其底层为MCrAlY粘接层,表层为ZrO2陶瓷层。陶瓷层可显著提高涡轮的工作温度,并且涂层有较高的表面光洁度,具有较好的抗热循环氧化性和优异的抗高温燃气冲蚀性及抗热震性能,即使在1650℃高温下长期使用,其热稳定性和化学稳定性都很好,使用寿命也更长。目前这一工艺的实际应用已推广到了涡轮静子和转子叶片上。陶瓷热障涂层主要问题是热应力引起涂层提早剥落。在涂层材料中加稀土或其它材料、采用多层和连续梯度结构、优化涂层工艺是改善涂层质量的方法。其中连续梯度涂层能实现基体与陶瓷层成分、性能的连续过渡,能够避免产生热应力,但目前还不能在工艺上实现。

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