航空航天新兴表面处理技术的发展趋势

According to the commercial aircraft market outlook published by Boeing in 2018, it is predicted that 42700 new aircraft will be delivered globally in the next 20 years, with an output value of 6.3 trillion U.S. dollars, driving huge business opportunities in aviation systems and components market. The rapid development of the aerospace industry has increasingly higher requirements for oxidation resistance, corrosion resistance, wear resistance, heat resistance, fatigue resistance, and special functions of products and components.

根据波音公司2018年发布的商用飞机市场展望，预计未来20年全球将交付4.27万架新飞机，产值6.3万亿美元，为航空系统和零部件市场带来巨大商机。航空航天工业的快速发展，对产品和部件的抗氧化、耐腐蚀、耐磨、耐热、抗疲劳、特殊功能等要求越来越高。单一的材料往往无法满足高性能航空装备的要求，而表面处理技术可以非常有效地弥补材料性能的不足，使其适应苛刻的工作条件。掌握和创新涂层材料和涂层制备关键技术，对延长产品使用寿命、降低能耗、提高产品可靠性具有重要意义。与此同时，台湾政府正积极指导制造商投资开发关键的航空航天技术和能源，建立航空航天质量体系和特殊工艺认证。通过推动航天产业集群，共同打造台湾航空产业的优质供应链，与全球航空制造企业进行整合。亚太地区航空业的重要合作伙伴。

航空新兴涂料技术的发展趋势

目前，快速发展的航空表面处理技术包括热障涂层(TBCs)、环境障涂层(EBC)、高温可磨损密封涂层、WC-Co、氧化铝钛等耐磨涂层、吸波和红外隐身涂层等。涂层的应用极大地提高了航空航天产品的性能、可靠性、经济性、使用寿命和生存能力。

1. 新型高性能热障涂层
   热阻挡涂层通常应用于航空发动机高压涡轮叶片的表面，这在叶片矩阵的热绝缘保护和寿命中起作用。它主要由陶瓷表面层组成，具有优异的绝热性能和具有粘合性的金属底层，可以避免高温燃烧。气体与金属基板直接接触，金属基板有效保护基板，延长发动机的工作寿命，提高燃烧效率。它已成为现代航空发动机高压涡轮叶片的三个关键制造技术之一。目前，最广泛使用的热屏障涂层制备技术是空气等离子体喷雾（APS）和电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术。
   等离子体喷雾-物理气相沉积(PS-PVD)是近年来发展起来的一种功能薄膜制备技术。PS-PVD技术结合了等离子喷涂技术和物理气相沉积技术的特点，代表了高性能热障涂层制备技术未来的发展方向。与前两者相比，PS-PVD采用快速热喷涂实现大面积、均匀的物理气相沉积。通过改变等离子体喷射态，PS-PVD还可以实现多相复合涂层的沉积，扩展了不同组织结构热障涂层的设计和制备。更重要的是，PS-PVD的等离子射流具有良好的涂层性能，可以在形状复杂的工件表面实现非直观的热障涂层沉积。总的来说，PS-PVD方法有望在新一代超高温、高隔热、长寿命热屏障涂层的开发中发挥关键作用。
2. 高温复合材料表面的环境屏障涂层
   环境屏障涂层是保证复合材料在航空发动机中长期使用的关键。主要用于耐环境腐蚀，同时也具有堵塞和愈合裂缝、缝隙的功能。因此，选择环保屏障涂料材料必须满足以下四个基本条件。
   • 必须有良好的抗氧化和抗腐蚀能力，还需要有低的氧扩散率
   • 热膨胀系数必须与母材相匹配，以避免在热循环过程中因热应力而产生裂纹、分层甚至剥落
   • 它必须在工作温度范围内具有良好的热稳定性，即不发生相变
   • 没有对基材的有害化学反应，这意味着它与碱具有良好的化学相容性。
   环境屏障涂层材料体系大致经历了四个阶段:第一代—莫来石/YSZ体系;第二代-钡锶铝硅酸盐，BSAS, Ba1-xSrxAl2Si2O8, 0≤x≤1体系;第三代稀土(RE)硅酸盐，RE:稀土元素系;第四代-热/环境屏障涂层(T/EBC)系统。
   第三代环境屏障涂层基本上达到了1,400℃的气体环境中的长期使用，而是专注于复合材料的未来发展和应用，美国宇航局结合高温合金中使用的热障涂层，提出了设计热/环境屏障涂层该概念是满足1,650℃水 - 氧耦合环境中碳化硅/碳化硅衬里和叶片的未来使用要求。主要结构由四层组成。第一层是表面上的高温耐热阻挡涂层，主要由具有低导热率的陶瓷材料构成，包括LA2ZR2O7和GD2ZR2O7等，为底层薄膜和基材提供隔热保护，并且可以用作第一级辐射屏蔽层。为了降低来自高温燃烧室环境和薄膜的高温表面的红外热辐射;第二层是能量消耗层和化学阻挡层;第三层是环境阻挡层，第四层是纳米复合粘合层。
3. 耐高温耐磨密封涂层
   随着能源危机的加剧，提高发动机效率、降低油耗已成为当前航空发动机的研究和发展重点之一。为了提高发动机的工作效率，保护叶片和机匣免受划伤和损坏，在航空发动机气路密封的设计和开发中引入了可磨损的密封涂层，以保持最小的气路间隙，提高发动机性能。采用高温可磨损密封涂层密封发动机涡轮气路，可以减小涡轮叶片顶端与涡轮外圈之间的间隙，从而减少气体泄漏，提高发动机效率。总体设计的要求是,当涡轮叶片和密封接触和刮涂层,涂层刮刀刃磨损很小,摩擦系数要小,以避免高温产生的刮涂层或叶片消融和开裂,所以高温会磨损密封件。涂层必须具有一定的减摩作用。金属基耐磨密封涂层的抗气流冲蚀性能较好，而氧化陶瓷基耐磨密封涂层的抗气流冲蚀性能较差。因此，必须重视涂层制备方法的材料组成和参数控制。保证涂层的使用寿命。
   近年来，等离子喷涂MCrAlY高温合金类型(如NiCrAlY、CoCrAlY、NiCrAlYSi等)的可磨性密封涂层和陶瓷基(如稀土氧化物稳定的ZrO2、A12O3等)的可磨性密封涂层取得了显著进展，且该膜具有可磨性性能。抗冲蚀性能明显提高。MCrAlY具有耐高温氧化和耐热腐蚀性能。通常加入聚苯基酯作为成孔剂。聚苯酯加热去除后，在膜内留下许多细小而均匀分布的气孔，会降低膜的硬度，增加膜的磨损。性能降低了涡轮叶片上的膜的磨损。加入六方氮化硼或氟作为减摩自润滑材料可以降低摩擦系数。高温可磨密封涂层厚度一般在1.5mm以上。采用机器人自动喷涂技术，计算机闭环控制喷涂参数，在线监测涂层厚度，确保涂层结构和厚度的均匀性和再现性。
4. 热喷涂陶瓷膜代替硬镀铬
   由于硬铬电镀对环境具有长期危害，电镀废液中的六价铬对人体健康危害严重。这对减少甚至取消硬铬电镀方法具有重要意义。近年来，高速氧燃料(HVOF)、高速空气燃料(HVAF)、WC-Co、WC-Co- cr、Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层、等离子喷涂Cr2O3、A12O3-TiO2氧化陶瓷涂层等已在行业中得到广泛应用，不可避免地要完全取代硬铬电镀方法。高速火焰喷涂WC-Co-Cr涂层已成功应用于空客、波音、洛克希德·马丁等公司生产的先进军用/商用飞机(包括空客A380、波音787、F-35等)。结果表明，高速火焰喷涂的WC-Co-Cr2涂层在耐磨、耐蚀、耐疲劳等关键性能指标上明显优于传统的硬铬电镀层。Cr3C2-NiCr涂层广泛应用于高温摩擦磨损环境中。涡轮导叶密封件采用高速火焰喷涂Cr3C2-NiCr硬涂层或等离子喷涂A12O3-TiO2陶瓷硬涂层，耐腐蚀、耐高温氧化、耐磨。等离子喷涂Cr2O3陶瓷硬涂层广泛应用于发动机密封和飞机运行部件的耐磨保护。其耐磨性和耐腐蚀性比传统的硬铬电镀高出数倍。
5. 纳米涂层
   纳米材料技术是在20世纪80年代出生的新技术，仍然迅速发展，并受到世界各国的高度重视。物理气相沉积（PVD），化学气相沉积（CVD），热喷涂，分子束外延（MBE），化学沉积，电沉积和其他方法是获得纳米涂层或薄膜的典型方法。在过去的10年中，研究人员使用PVD（包括磁控溅射，离子束溅射，射频放电离子电镀，等离子体离子电镀，EB-PVD等），以获得许多导致纳米单层和纳米多层膜的制备。，例如纳米Ti（N，C，CN），（V，Al，Ti，Nb，Cr）N，SiC，β-C3N4，α-Si3N4，TIN / CRN，TIN / A1N，WC-CO涂层可以是二手飞机轴部件耐磨和防腐蚀;等离子体喷涂的纳米A1203-TiO2涂层已用于空气发动机的空气密封;纳米Y2O3-ZrO2涂层已用于涡轮叶片的隔热保护;添加石墨烯和碳纳米管复合材料涂层具有雷达隐形功能。
   热喷涂是生产纳米涂层最具竞争力的方法之一。与其他技术相比，它具有许多优点，如简单的施工方法，各种涂料和基材，厚膜制备，高沉积速度和层组合物易于控制，易于形成复合功能涂层，等。，适用于大型组件。使用纳米凝聚粉末作为热喷涂材料，通过严格控制该过程的参数，缩短纳米材料在火焰中的停留时间，限制原子的扩散和晶粒的生长，纳米涂层可以准备好。

根据日本飞机协会的一项调查，由于新兴国家强劲的客户需求和货运量的增加，全球商用飞机市场的年增长率为5%。与此同时，对飞机的需求也在逐年增长，预计在未来20年内将增长约两倍。每架飞机由大约300万个部件组装而成。为了满足这种大规模生产的需求，表面处理在航空工业中的应用需求不容小觑。此外，据欧盟委员会统计，飞机排放的温室气体约占全球温室气体的4%，而且还在不断增加。欧盟的目标是到2050年将飞机每公里的二氧化碳排放量减少60%，氮氧化物污染减少90%，噪音减少75%。为了实现这一目标，飞机制造企业必然会更加积极地引进新材料和关键零部件，这势必会进一步增加对相应新兴表面处理技术的需求。