非金屬封嚴(yán)材料在民用發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

姜永強(qiáng)，沈爾明，王志宏

（沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015）

1 引言

封嚴(yán)結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起著越來(lái)越重要的作用。是否使用封嚴(yán)、所用封嚴(yán)材料的性能水平高低和效果好環(huán)，已成為現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平高低的重要標(biāo)志。目前國(guó)內(nèi)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的封嚴(yán)材料體系已初步形成，主要以封嚴(yán)涂層為主，封嚴(yán)材料的使用使發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度大大提高了，油耗降低，推力增大，航程增加，并滿足了飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命要求[2]。

但是國(guó)內(nèi)有關(guān)封嚴(yán)涂層的種類主要是金屬封嚴(yán)涂層，但金屬封嚴(yán)涂層的組織結(jié)構(gòu)、孔隙率均勻性及結(jié)合力等方面在噴涂中很難控制，在涂層使用中，經(jīng)常出現(xiàn)涂層剝落等問(wèn)題，特別是隨著大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，在風(fēng)扇/增壓級(jí)部分的封嚴(yán)涂層由于尺寸較大，對(duì)噴涂工藝提出更高的要求，因此金屬封嚴(yán)涂層不能完全滿足大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)壽命和高可靠性的要求。

非金屬封嚴(yán)材料的應(yīng)用在國(guó)外已經(jīng)有成熟的經(jīng)驗(yàn)，但是在國(guó)內(nèi)才剛剛起步，其應(yīng)用前景廣闊。

美國(guó)、歐洲一些國(guó)家目前研制的 CFM56、V2500、PW4000、PW-6000、GE90等系列發(fā)動(dòng)機(jī)大量采用橡膠封嚴(yán)材料來(lái)減小風(fēng)扇或增壓級(jí)轉(zhuǎn)子葉片的磨損，同時(shí)還采用填充空心玻璃珠的液體橡膠材料來(lái)固定風(fēng)扇增壓級(jí)靜子葉片，并用級(jí)間封嚴(yán)。這說(shuō)明非金屬封嚴(yán)材料有很好的性能指標(biāo)和可靠性要求。

本文重點(diǎn)介紹了用在民用發(fā)動(dòng)機(jī)低壓靜子部件上的非金屬軟質(zhì)封嚴(yán)材料（可磨耗材料）的特點(diǎn)、發(fā)展和應(yīng)用。

2 封嚴(yán)涂層種類及作用

目前國(guó)內(nèi)采用的封嚴(yán)材料主要包括金屬-有機(jī)涂層和金屬-無(wú)機(jī)涂層。金屬-有機(jī)涂層如Al-Si-聚苯酯涂層,用于300℃以下的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)及滑油系統(tǒng)；金屬-無(wú)機(jī)涂層如NiCrAl-硅藻土涂層,用于800℃以下發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪部位封嚴(yán)。國(guó)外還有橡膠封嚴(yán)材料。

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是由進(jìn)氣、壓縮、燃燒和排氣等組成的多級(jí)裝置，其效率直接與每級(jí)同它上級(jí)封嚴(yán)的效率有關(guān)，保持通過(guò)每級(jí)氣流壓力差是獲得高效率的必要條件。研究發(fā)現(xiàn)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路密封性，即轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜子部件的徑向間隙大小對(duì)壓氣機(jī)、渦輪的效率、功率和耗油率（SFC）影響(如圖 1（a）、（b）所示)極大。從圖1中可見(jiàn)，如果葉尖間隙與葉高比值（△/L）每增加1%，大直徑風(fēng)扇壓氣機(jī)的效率損失則增大2%，而低壓或高壓渦輪的效率損失則增大1%～3%。1臺(tái)典型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉尖氣路間隙減少0.254 mm，效率可提高約1%；壓氣機(jī)徑向間隙增大0.076mm，耗油率可增加約1%[2,3]。因此減少發(fā)動(dòng)機(jī)氣流通道的泄漏損失是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、降低耗油率的重要途徑。

圖1 徑向間隙與葉片高度比值對(duì)部件效率及耗油率的影響[2]

在設(shè)計(jì)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)人員為提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率、使用壽命和降低油耗，盡量減少轉(zhuǎn)子和靜子之間的運(yùn)轉(zhuǎn)間隙。但是由于制造困難和在工作狀態(tài)下的部件結(jié)構(gòu)變形，間隙過(guò)小，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)中的動(dòng)、靜件之間存在相互摩擦的危險(xiǎn)，因此希望有1個(gè)既能減小間隙又能緩沖摩擦的封嚴(yán)圈。

封嚴(yán)裝置一般用在風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪部位（如圖2所示）。基材料應(yīng)具有磨損性、耐沖蝕性、熱穩(wěn)定性和較小的摩擦系數(shù)等特點(diǎn)。對(duì)工作溫度在600℃以上的封嚴(yán)裝置，多采用具有抗氧化性的涂層材料。控制動(dòng)、靜件之間間隙的封嚴(yán)材料分為2大類。1類是用在靜子部件上的軟質(zhì)涂層（可摩耗涂層）。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的葉片或篦齒與靜子上的軟質(zhì)涂層相摩擦?xí)r，允許葉片或齒尖切入時(shí)的摩擦壓力和摩擦熱都比較少，不至使旋轉(zhuǎn)部件受到扭曲或損傷。另1類是噴涂在轉(zhuǎn)子部件上的硬質(zhì)涂層（主動(dòng)磨削層）。轉(zhuǎn)子應(yīng)有很好的轉(zhuǎn)動(dòng)平衡性，不允許涂層的不均勻磨損或掉快現(xiàn)象發(fā)生。故只能噴涂硬度高而且工作時(shí)基本不磨損的涂層。這類涂層主要是等離子噴涂的陶瓷涂層，硬度高、高溫性能好，且導(dǎo)熱系數(shù)低，不會(huì)使薄壁轉(zhuǎn)子因摩擦生熱而產(chǎn)生變形。

圖2 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可刮削封嚴(yán)材料的選用[2]

雖然減小氣路密封性可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，但是轉(zhuǎn)動(dòng)件與非轉(zhuǎn)動(dòng)件之間的間隙不可能為零。因?yàn)檫@將使制造和裝配發(fā)動(dòng)機(jī)的費(fèi)用極其昂貴，并有可能發(fā)生不可預(yù)見(jiàn)的災(zāi)難性后果，實(shí)際上在制造中也不可能使間隙控制為零，這是因?yàn)椋?/p>

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及機(jī)匣組合件材料的熱膨脹不一致；

（2）轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)離心力引起的葉片伸長(zhǎng)；

（3）零件加工的同心度、圓度和公差的影響；

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中的偏差；

（5）零部件因振動(dòng)引起的位移；

（6）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲變形；

（7）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的自身變形；

（8）發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力的變化；

（9）因飛機(jī)起飛、加速、減速等飛行負(fù)載變化及其它外界干擾引起的零件材料機(jī)械蠕變。

以上因素有些可以通過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)克服，有些則無(wú)法估計(jì)，因此在設(shè)計(jì)中還必須留有足夠的間隙。保持間隙的目的是為了滿足高速旋轉(zhuǎn)的需要，但間隙過(guò)大則會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能，封嚴(yán)涂層有助于將間隙減小到最低限度[1]。

3 非金屬封嚴(yán)材料在國(guó)外民用發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用

目前在國(guó)外民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)使用的非金屬封嚴(yán)材料，根據(jù)成型工藝不同，可分為固體橡膠和液體橡膠涂層材料2大類。由于受到耐熱能力的限制，一般非金屬封嚴(yán)材料主要應(yīng)用在低壓低溫部件上，在風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片上的應(yīng)用如圖3所示；在增壓級(jí)轉(zhuǎn)子葉片上和增壓級(jí)鼓筒篦齒與增壓級(jí)靜子之間的應(yīng)用如圖4所示；在高壓部件的應(yīng)用較少，僅在個(gè)別高壓壓氣機(jī)第1級(jí)轉(zhuǎn)子前的篦齒上應(yīng)用（如圖5所示）。

圖3 風(fēng)扇葉片封嚴(yán)材料

圖4 增壓級(jí)轉(zhuǎn)子和靜子之間封嚴(yán)材料

圖5 第1級(jí)高壓壓氣機(jī)前封嚴(yán)材料

3.1 橡膠板狀封嚴(yán)材料

發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的橡膠板狀封嚴(yán)材料可以預(yù)先加工成型具體尺寸的橡膠板，需要時(shí)可以將此成品直接粘結(jié)到需要的部位，此類材料一般比較厚，并填充空心玻璃珠。國(guó)外某型民用發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片對(duì)應(yīng)機(jī)匣上的此類材料的立體圖（圖3）和局部剖面如圖6所示。填充玻璃珠的橡膠封嚴(yán)材料既可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)葉片高速旋轉(zhuǎn)而刮下大塊橡膠片進(jìn)入流道而打傷發(fā)動(dòng)機(jī)后部零件，又可以增加材料內(nèi)部空隙，大大減輕橡膠材料的質(zhì)量。橡膠板狀封嚴(yán)材料的優(yōu)點(diǎn)是可以提前大量生產(chǎn)并存放，橡膠材料內(nèi)部材質(zhì)均勻，外形尺寸可以預(yù)先加工，便于在大尺寸零件上快速鋪放成型；缺點(diǎn)是需要使用膠粘劑粘接，局部修補(bǔ)不靈活。

圖6 某型發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇易磨環(huán)構(gòu)件

3.2 液體橡膠涂層

液體橡膠涂層一般利用雙組分或3組分橡膠液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而制成，當(dāng)需要時(shí)可現(xiàn)場(chǎng)按一定比例進(jìn)行配比并混合一定比例的玻璃珠，之后涂刷或灌注到需要的部位。該涂層優(yōu)點(diǎn)是可以現(xiàn)場(chǎng)成型，在小尺寸零件上涂覆方便，根據(jù)使用部位不同可厚可薄，如轉(zhuǎn)子葉片封嚴(yán)涂層可涂薄一點(diǎn)（如圖7所示），用于固定增壓級(jí)靜子葉片可以涂厚一點(diǎn)（如圖8所示）；缺點(diǎn)是多組分混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行消泡處理，且裝配工藝較復(fù)雜。風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片對(duì)應(yīng)的封嚴(yán)材料在涂敷時(shí)還可以用復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)作為內(nèi)襯（如圖9所示），用于分割封嚴(yán)材料時(shí)，風(fēng)扇葉片與封嚴(yán)材料相磨時(shí)磨損顆粒容易控制，保證不會(huì)有大的掉塊發(fā)生。

圖7 國(guó)外某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖封嚴(yán)涂層

圖8 國(guó)外某型發(fā)動(dòng)機(jī)級(jí)間封嚴(yán)涂層

圖9 國(guó)外某型發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖封嚴(yán)涂層（蜂窩結(jié)構(gòu)）

4 非金屬封嚴(yán)材料較金屬封嚴(yán)材料的優(yōu)勢(shì)

4.1 提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命

在國(guó)內(nèi)使用的封嚴(yán)材料基本都是金屬封嚴(yán)涂層，該類涂層較硬，當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片與此碰磨時(shí)對(duì)葉片磨損較重，如果是鈦合金葉片和鈦合金鼓筒，還容易導(dǎo)致葉尖和鼓筒篦齒產(chǎn)生裂紋，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全；同時(shí)葉片磨短對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響很大，為了提高性能對(duì)磨損嚴(yán)重的葉片不得不進(jìn)行更換，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性、保障性、維修性、經(jīng)濟(jì)性都產(chǎn)生不利影響。

與金屬封嚴(yán)材料相比，非金屬封嚴(yán)材料能夠更好地保護(hù)與此配合的轉(zhuǎn)動(dòng)件免于磨損，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。

4.2 避免后面零部件的損傷

金屬封嚴(yán)涂層在噴涂時(shí)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)不易控制，特別是風(fēng)扇葉片對(duì)應(yīng)的封嚴(yán)涂層直徑比較大，噴涂難度更大，這樣在噴涂過(guò)程中更容易產(chǎn)生缺陷，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用時(shí)葉片與涂層相磨就容易掉塊，由于涂層較硬會(huì)對(duì)其后的零件造成損傷；而非金屬封嚴(yán)材料較軟，硬度較小，有很好的可磨削性，當(dāng)與轉(zhuǎn)子葉片磨損脫落后由于材質(zhì)較軟不易打傷后面的零件。

4.3 成型工藝性比較好

金屬封嚴(yán)涂層需要專用噴涂設(shè)備對(duì)零件進(jìn)行噴涂，工藝參數(shù)要求比較高，而且不容易控制，有些噴涂后甚至要進(jìn)行熱處理，會(huì)影響原零件的力學(xué)性能；非金屬封嚴(yán)材料成型工藝比較簡(jiǎn)單，可以加工成成品存放，在使用時(shí)用粘結(jié)劑粘結(jié)到發(fā)動(dòng)機(jī)上，也可以將各成分按一定比例在一定條件下化合后涂敷到發(fā)動(dòng)機(jī)上。

4.4 零件變形較小

金屬封嚴(yán)涂層由于需要熱噴涂，溫度較高，噴涂后易造成零件變形；非金屬封嚴(yán)涂層是粘結(jié)到零件上，能夠在150℃以下進(jìn)行，此溫度不會(huì)造成零件變形很大，從而保持了零件尺寸和位置度。

4.5 維修性好

如果在使用中因封嚴(yán)涂層局部脫落需要修理，對(duì)金屬封嚴(yán)涂層，需要將整圈涂層清除后進(jìn)行重新噴涂，對(duì)零件維修性、經(jīng)濟(jì)性、完整性的影響都是不利的；而非金屬封嚴(yán)涂層可以將損壞的局部去除、更換，既方便快捷，又經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在機(jī)場(chǎng)即可更換，可以為發(fā)動(dòng)機(jī)維修節(jié)省大量的時(shí)間。

4.6 降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量

非金屬封嚴(yán)涂層的密度小（ρ＜1 g/cm3），相應(yīng)體積下比金屬封嚴(yán)涂層的質(zhì)量輕得多，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，提高其推重比。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前非金屬封嚴(yán)材料在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上還是首次應(yīng)用，其材料的選用、摩擦特性、失效模式、非金屬構(gòu)件的制備工藝、可磨耗性指標(biāo)的制定，抗沖蝕性的好環(huán)、材料的抗氧化性的好壞、使用壽命的確定、檢測(cè)手段等情況還缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)，今后還需要做大量的分析、研究、驗(yàn)證工作。但由于非金屬封嚴(yán)材料具有可靠性高、工裝簡(jiǎn)單且易于維護(hù)等技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，隨著國(guó)家大飛機(jī)項(xiàng)目的快速發(fā)展，一定會(huì)在民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上大量使用，也將會(huì)給中國(guó)封嚴(yán)涂層領(lǐng)域帶來(lái)一次技術(shù)性革新。

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