封嚴塗層工作原理
中國航空報訊：現代航空發動機設計將集中於減少燃料消耗和增強推重比，同時提高可靠性和壽命。滿足這一需求面臨結構設計和新材料的挑戰，其中表面塗層技術對突破這些瓶頸有重要作用。塗層通常指塗敷於零件表面的一層特殊材料，對提高材料性能、延長零件工作性能的作用十分顯著，是航空發動機製造必不可少的技術手段。現代航空發動機有75%以上的零件都塗敷各種塗層以改進性能和可靠性，此類塗層的加工工藝具有非傳統加工特點，因此高能束流加工技術為各種塗層的製備提供了有效途徑。
破譯高能束塗層技術的「黑匣子」
高能束流具有很高的能量密度，其物質形態主要表現為雷射束、電子束、離子束、等離子體、分子束、原子束、中子束、質子束等。高能束表面塗層技術指利用高能量束流使材料發生固態相變、熔化、蒸發、氣化、沉積、凝固等現象，在材料的表面形成防護或功能塗層，以提高材料的壽命或使用性能。高能束表面塗層技術具有能量精確可控、柔性強、加工效率高、質量優、資源節約、環境友好等綜合優勢，既適用於大批量高效自動化生產，又可用於多品種、小批量、個性訂製的生產加工。在航空航天、汽車、軌道車輛、船舶、冶金、電子信息、生物醫療、新能源等領域，高能束表面塗層技術都已開始大量應用。
航空發動機高能束技術塗層系列
航空發動機不同部件由於工作環境的差別需要不同的塗層，按功能可以分為：熱障塗層、高溫抗氧化塗層、阻燃塗層、環境障礙塗層、封嚴塗層、耐磨塗層、耐腐蝕塗層、抗衝刷塗層、抗微動磨損塗層、憎水塗層、隱身塗層等，它們在航空發動機中的應用情況如圖1所示。採用的技術主要有：電子束物理氣相沉積（Electron Beam-Physical Vapor Deposition，EB-PVD）、大氣/真空等離子噴塗、超聲速火焰噴塗、冷噴塗、真空電弧沉積和磁控濺射等。
熱障塗層的重要應用之一是在航空發動機的高溫金屬部件上這些金屬部件提供了航空發動機所需的強度，卻不能承受航空發動機為了提供必要動力所需的高溫環境。熱障塗層應用於這些高溫部件，阻止高溫燃氣對這些部件的直接作用，以提高其工作溫度和壽命。
高溫抗氧化塗層用來提高航空發動機部件的抗高溫氧化和熱腐蝕性能。航空發動機燃燒室和渦輪葉片需要承受高溫燃氣衝擊，這些部件需要塗敷高溫抗氧化塗層來提高使用壽命。
環境障礙塗層是指在航空發動機環境下使用的高溫結構材料的表面防護塗層，阻止或減小發動機環境對高溫結構材料性能的影響。陶瓷基複合材料具有很強的耐高溫能力，是最有希望取代鎳基高溫合金在發動機熱端部件中得以應用的高溫結構材料。然而，陶瓷基複合材料在發動機環境中會與氧氣、水蒸氣和二氧化碳發生氧化反應，所以必須採用環境障礙塗層來防護。
阻燃塗層通常是在鈦合金零部件的表面，尤其是易發生摩擦的表面，塗敷一層難於燃燒的材料，以便在一定的溫度和能量衝擊下，阻止摩擦熱的積累，起到阻燃防護的作用，在已燃燒的情況下，能有效延緩或阻止燃燒的進展。鈦合金阻燃塗層主要用於鈦合金製成的壓氣機轉子葉片和機匣內環。
封嚴塗層主要用於發動機氣路密封，控制機械部件運轉間隙，以減少氣體洩漏、增加喘振裕度、降低油耗、提高壓氣機和渦輪效率。在發動機壓氣機葉片、渦輪葉片與外環機匣之間，均用到封嚴塗層，如圖3所示。封嚴塗層的性能，直接影響發動機的功率、推力和效率。
耐磨耐腐蝕塗層通常具有較高的硬度，要求塗層與基體結合強度高，應用於摩擦磨損零件，如軸、軸承、柱塞等，以提高這些零件的使用壽命。抗衝刷塗層應用於風扇和壓氣機葉片，空氣中的塵埃、水滴和沙粒等在高速氣流作用下將對風扇和壓氣機葉片造成嚴重的衝蝕，海洋環境下發動機構件還將發生嚴重的腐蝕問題，採用抗衝刷塗層技術可以提高這些部件的使用壽命。
微動磨損是在相互壓緊的表面由於小振幅振動而產生的一種複合式磨損。葉片的榫頭和榫槽接觸面、螺栓聯接、鉚釘聯接、鍵或銷聯接等接觸表面部位都容易發生微動磨損。抗微動磨損塗層是塗敷於基體零件上以承受表面反覆加載和卸載周期性應力而阻止或減少基體零件蠕動腐蝕或表面疲勞損傷的塗層。
航空發動機結冰會大大限制通過發動機的空氣流量，從而引起發動機性能損失並可能會使發動機發生故障。憎水塗層主要是通過製備超疏水結構的塗層，使塗層與水的接觸角變大，從而達到防止結冰的作用，提高飛行器的安全。
航空發動機的隱身塗層主要包括紅外隱身和雷達隱身。紅外隱身塗層是通過部件表面塗敷的低發熱率材料來降低發動機紅外輻射特徵的，雷達隱身塗層是通過在部件表面塗敷雷達吸波材料來降低雷達截面積（RCS）的，先進航空發動機的進氣機匣、尾噴管等部位需要紅外及雷達隱身塗層的防護。
中航工業製造所：
高能束塗層技術發展的「先行者」
中航工業製造所是國內最早從事表面塗層製備技術的研究單位之一，在該領域至今已有30多年的研究歷史。其中等離子噴塗的MCrAlY/YSZ熱障塗層早在1995年就在飛機隔熱屏上得到了成功應用並量產，為熱障塗層的研究積累了豐富的經驗。「九五」、「十五」期間進行了全方位等離子體源離子注入與沉積、保形離子注入及動態混合沉積、電子束物理氣相沉積技術研究、彌散金屬等離子體與脈衝離子束混合增強沉積等表面工程技術研究，取得了階段性成果，獲得多項部級及國家級科技獎項。「十一五」期間開展了EB-PVD熱障塗層的應用研究。目前，正在開展新型熱障塗層和離子束輔助EB-PVD的探索。在設備方面，中航工業製造所早在上世紀70年代就成功研製國產化的等離子噴塗設備，為等離子噴塗技術在我國的推廣做出了重要貢獻。在「九五」期間就自行研製了全方位離子注入與沉積設備，在等離子體源研製及應用等方面積累了豐富經驗。
當前，單一的材料往往無法滿足高性能航空發動機的使用需求，而表面塗層技術可以非常有效地彌補材料性能的不足，是材料、零件適應航空發動機嚴苛工作條件的「鐵布衫」，在我國航空發動機製造領域的應用方興未艾，有非常廣闊的發展前景。