腐蚀是飞机发动机压气机和涡轮转子及静子叶片主要的表面失效形式。表面腐蚀的发生会使叶片的形状尺寸产生变化, 如出现蚀点、蚀沟、掉块等, 从而降低发动机性能和使用寿命。海上飞机因为长期在盐雾腐蚀介质下飞行和停放, 发动机叶片的腐蚀十分严重, 成为近些年来海航发动机主体结构的多发性故障和危险性故障之一。
1.海洋大气环境因素对发动机叶片腐蚀的影响
海上飞机发动机叶片的腐蚀失效具有多发性和严重性, 这和海上飞机发动机的工作及停放环境为海洋大气紧密相关。对于压气机叶片, 因为长时间处于空气湿度大、温度高、盐雾重的环境里, 海洋大气中的含盐粒子沉积在压气机叶片表面, 产生吸湿潮解作用, 使金属表面液膜的电导增大, 加上氯离子本身具有很强的侵蚀性, 因而加剧压气机叶片的电化学腐蚀。同时一些工业发达的沿海地区, 大气中还含有 SO2、Cl2、CO2、CO 和氮氧化物等污染物。这些污染物的存在进一步加剧金属的电化学腐蚀, 其中以 SO2的影响为最大。而 NH4+、NO2含量高则容易使铝合金叶片产生剥蚀。用耐热合金制成的涡轮叶片不会发生电化学腐蚀, 但在发动机工作时会产生热腐蚀以及高温氧化。海洋大气环境对涡轮叶片腐蚀的影响主要表现在热腐蚀上,即高温下 Na Cl 等海盐粒子与含硫的气态介质作用, 生成熔盐, 附着在叶片表面, 破坏叶片表面氧化层, 使内层金属的氧化速度加快。
2.发动机叶片在海洋大气环境中的耐蚀性及腐蚀失效形式
2.1 点蚀
点蚀具有很大的破坏性和隐患性, 它使叶片更容易发生晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳, 点蚀会成为这些局部腐蚀的起源。铝合金和不锈钢在海洋大气中都会发生点蚀。
2.2 晶间腐蚀
晶间腐蚀一般从表面开始, 沿着晶界向内部发展直至成为溃疡性腐蚀, 最后使整个构件的金属强度几乎全部丧失,对结构的安全危害很大。不锈钢和铝合金叶片在海洋大气都会发生晶间腐蚀。
2.3 剥蚀
剥蚀是形变铝合金的一种特殊腐蚀类型。硬铝和防锈铝对剥蚀都很敏感, 这是因为这两种合金在海洋大气中都有较大的晶间腐蚀倾向。
2.4 应力腐蚀
应力腐蚀是由拉伸应力和腐蚀共同作用引起的破坏铝合金、不锈钢在海洋环境中都有较大的应力腐蚀敏感性。
2.5 腐蚀疲劳
腐蚀疲劳可以使叶片在很低的应力条件下发生破断, 因此对发动机工作叶片的危害极大, 尤其是铝合金和不锈钢转子叶片。
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。
3.压气机叶片的防护涂层
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, 应用最普遍的是化学氧化或阳极氧化后涂漆。化学氧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。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。在铝合金表面生成陶瓷膜的防护系统的耐蚀性更好。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
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的防腐。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, 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。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。
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。其底层为MCr Al Y 粘接层, 表层为 Zr O2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。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。
5.防腐涂层在海上型飞机发动机叶片上的实际应用情况
目前, 铝合金叶片普遍采用了铬酸阳极氧化加涂防腐漆料的防腐措施, 钢叶片一般都施加了金属—非金属复合涂层。有些发动机压气机叶片表面还进行了喷丸强化, 细化了表面结构, 在叶片表面引入了正应力, 极大地改善了叶片抗应力腐蚀断裂和抗腐蚀疲劳性能。涡 轮 叶 片 的 防 护 国 内 一 般 采 取 了 等 离 子 喷 涂 钴 ( 镍 ) 铝 钇( MCr Al Y) 的方法。随着航空发动机的发展, 一些发动机涡轮叶片开始采用高温渗铝包括简单渗铝、铝铬( 钛、铂) 共渗和更先进防护效果更好的 MCr Al Y 溅射涂层。MCr Al Y 粘接底层加Zr O2的陶瓷热障涂层国外应用已相对成熟, 国内已取得了实质性进步, 并进入工程应用阶段。6.发展海上飞机发动机叶片防腐涂层的几点建议
①发展性能更好的涂层体系, 注重新的防护材料和防护体系结构的研究。发展更新更好的涂、镀、渗材料, 研制性能更好的覆盖层材料,开发出适合海上飞机发动机叶片用的多层防护系统;
②完善涂层制备工艺。在完善现有工艺方法的同时, 应努力跟踪表面技术的最新前沿,重视对新技术和新工艺的研究;
③尽快建立科学合理的涂层性能评估体系。
