飞机发动机封严涂层的研究

飞机发动机封严涂层的研究

孙常琦

中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司工装制造厂辽宁沈阳110043

摘要：封严涂层可改善飞机发动机中旋转部件和固定部件之间的密封性，已成为提高发动机工作效率，延长发动机服役寿命的主要方法之一。本文采用正交设计实验方法对BH封严涂层的组成和固化工艺进行了优选，确定了BH封严涂层的最佳组成和固化工艺。

关键词：飞机发动机；封严涂层；冷热循环

近年来，随着航空技术的日益发展，对发动机效率的要求也逐渐提高。而作为发动机的重要技术之一，封严涂层可改善飞机燃气轮机中旋转与固定部件之间的密封性，能显著提高发动机的性能。

一、封严涂层的分类

封严涂层是涂覆在飞机发动机气流通道的间隙部分的涂层。主要分为：①有机涂层。工作温度低于230℃时，采用加填料的有机树脂涂料。所用基料有醇酸、沥青和环氧树脂，填料大多为滑石粉；高于230℃时，多采用有机硅树脂为基料，填料大多用石墨、云母粉、滑石粉等。②热喷涂涂层。③烧结金属纤维涂层，耐温可达800℃。④填充的或不填充的薄壁蜂窝结构涂层，耐温可达1000℃。⑤可控制孔隙率的陶瓷基涂层，耐温可达1200℃。

二、实验与实验结果

试样材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢，使用的涂料为耐热有机硅树脂，再加入石墨、石棉等填料配制而成。搅拌均匀并用二甲苯稀释至便于刮涂的粘度，用刮刀刮涂第1层，在空气中晾干不少于30min，再涂第2层、第3层，一直涂至所要求的厚度。将封严涂层涂覆好后，自然干燥不少于24h，然后固化并进行性能测试。使用FM-10kN拉力试验机进行涂层附着强度的测定，加载速度为10mm/min，试样为17.5mm×30mm。

根据发动机实际使用的冷热变化情况（工作时的压气机封严环所处温度≤300℃；停止工作时为室温），故采用冷热循环法测定涂层的附着性能，即将试样放于热处理炉中加热到300℃，保温30min后，迅速取出淬入室温的自来水中，然后取出检查涂层是否出现裂纹、翘起及剥落等现象。耐冷热循环次数越多表明涂层与基体的附着性能越好，这种冷热循环法测定涂层的结合性能也更能反映封严涂层的实际使用情况。

1、BH封严涂层基料的耐热性和热交变实验。根据对发动机压气机封严环等零件的使用要求，选择W61-55聚酯有机硅树脂作为封严涂层的基料和涂层的骨架。作为高温封严涂层基料的聚酯有机硅树脂，要求应具有一定的耐热性和与基体的良好结合性能。由试验结果可知，W61-55聚酯有机硅树脂涂层的DSC在温度低于300℃时，DSC平稳，无放热峰和吸热峰；到450℃时，出现一个较大的放热峰，这表明树脂发生了结构变化。其TGA也表现出当温度低于300℃时，涂层的质量百分数无明显变化；当温度＞300℃后，涂层的质量百分数急剧变化。表明这种W61-55聚酯有机硅树脂是完全可满足发动机压气机封严部件的使用温度环境，而且在W61-55聚酯有机硅树脂中再加入适当的颜填料，能提高其热稳定性。另外，当温度在450℃下保温24h后，涂层失重急剧增加，并出现了粉化、脱落现象。这与W61-55聚脂有机硅树脂涂层的TGA得到的结果一致。

在W61-55聚酯有机硅树脂中加入铝粉能提高涂层的耐热性能，在W61-55聚酯有机硅树指中加入质量百分数约为10%的铝粉，可耐500℃的高温。但随着铝粉含量的增加，涂层表面气孔严重。因此，在后面的试验中将涂料中的铝粉质量百分数固定在10%。

2、填料对涂层性能的影响。在树脂中添加颜填料可提高涂层的热稳定性和硬度等性能。适合于封严涂层的耐高温无机填料主要有滑石粉、石墨粉、石棉粉等，将填料分别加入到聚酯有机硅树脂中（铝粉的质量百分数为10%），考察其对涂层的耐冷热循环性能和涂层外观、硬度等性能的影响。

由于石墨本身的层状结构，构成的封严涂层具有良好润滑性能和低摩擦系数，因而涂层表面光滑、细致，可切削性好，可提高涂层的耐冷热循环次数，但涂层与基体的附着强度值比较低。由于附着强度值在室温下测定，不太符合实际飞机压气机的工作环境温度，而耐冷热循环试验更能说明实际情况，因此以耐冷热循环次数的提高来说明封严涂层的结合性能会更好。

为了改善石棉、石墨填料加入后，涂层与基体的附着强度降低现象，选择一种纤维状ZL填料。同时，随着ZL填料加入量的增加，能提高涂层的附着强度和硬度，说明此填料在改善涂层与金属基体材料的附着性能方面有一定的作用。这样，综合几种填料对封严涂层的附着强度、表面外观质量（气孔的数量和大小），以及涂层的耐冷耐热循环次数的影响关系。确定在W61-55聚酯有机硅树脂+铝粉的基础上，加入石棉、石墨和纤维状ZL等填料，构成BH封严涂层。通过对优选的BH封严涂层与基体的附着强度、表面质量、耐冷热循环次数和热稳定性等进行测试，表明这种优选的涂层性能优良。

3、固化工艺对涂层性能的影响。试验中发现，除涂层的组成对涂层的性能影响外，涂层的固化工艺也会影响涂层的性能。因此，采用不同的五种固化工艺，并通过其耐热循环性能、外观及硬度指标来进行优选，试验条件与结果见表1。从表1中可看出第1种和第2种固化工艺虽然简单，但得到的涂层硬度低，表面质量差，气孔严重。第3种固化工艺虽然可提高涂层的硬度，但表面仍有较多的气孔和鼓泡。第4种和第5种固化工艺得到的涂层表面质量高，气孔数量少，硬度值也高，而且有较好的耐冷热循环性能。综合考虑，确定第5种工艺为BH封严涂层的固化工艺（共分7个加热台阶，需要16h）相对于工厂使用的封严涂层需要33h，11个加热台阶的固化工艺来说，其更加简便。

表1

三、关于提高涂层附着强度机理的讨论

BH对封严涂层在冷热循环交替变化的条件下表现出了优良的附着强度，比工厂目前使用的封严涂层提高了4倍以上（按同样条件，对工厂现有封严涂层的耐冷热循环次数测定只有4～8次）。其内在原因可从BH封严涂层的基本组成进行探讨。

不锈钢基体材料的热膨胀系数为11.7×1O-6/C，而有机硅树脂的热膨胀系数大于25×1O-6/C，两者相差较大，这样在冷热循环交替变化的条件下，涂层和基体金属受冷热变化引起的体积变化在涂层内部产生热应力，经过十几个冷热循环交替变化，最后应力积聚到足以使涂层从基体脱落。另外，由于所加入的石棉、石墨和ZL填料具有更小的热膨胀系数，且工厂现有封严涂层中热膨胀系数比较大的有机硅树酯（+铝粉）、醇酸树脂在涂层中的体积百分数为65%，而BH封严涂层中热膨胀系数比较大的有机硅树脂（+铝粉）在涂层中的体积百分数为35%。这样，主要有热膨胀系数比较小的石棉、石墨和ZL填料构成的BH封严涂层的综合热膨胀系数，会降低到与不锈钢基体材料的热膨胀系数比较相近的程度。

四、结语

总之，封严涂层应既有足够的强度抵抗外部颗粒及气流的冲蚀，又可被刮削，在叶片与涂层发生摩擦接触时，层被刮削而叶片尖端不磨损，涂层不脱落，同时缩小气路间隙，减少气体泄漏，以提高飞机发动机的工作效率。

参考文献：

[1]席大先.耐高温有机无机涂料的研制[J].兰化科报，2014（03）.

[2]王薇.发动机封严涂层的研究进展[J].航空制造工程，2014（11）.