航空航天新兴表面处理技术的发展趋势

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42700架新飞机，产值达6.3万亿美元，为航空系统和零部件市场带来巨大商机。快速发展的航空航天工业对产品和部件的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐热、耐疲劳以及特殊功能的要求越来越高。

航空航天市场概述

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，产值达6.3万亿美元，为航空系统和零部件市场带来巨大商机。快速发展的航空航天工业对产品和部件的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐热、耐疲劳以及特殊功能的要求越来越高。单一材料往往不能满足高性能航空设备的要求，而表面处理技术可以非常有效地弥补材料性能的不足，使其适应恶劣的工作条件。涂料材料和涂料制备关键技术的掌握和创新，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航空航天关键技术和能源，建立航空航天质量体系和特殊工艺认证。通过推动航空航天产业集群，共同构建台湾航空产业的高质量供应链，与全球航空制造商融合。是亚太地区航空业的重要合作伙伴。

新兴涂层技术在航空航天领域的发展趋势

目前发展较快的航空表面处理技术有热障涂层(tbc)、环境障涂层(EBC)、高温可耐磨密封涂层、WC-Co、铝氧化钛等耐磨涂层、吸波和红外隐身涂层等。涂层的应用大大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
   热障涂层通常应用于航空发动机高压涡轮叶片表面，起到隔热保护和延长叶片基体寿命的作用。它主要由具有优异保温性能的陶瓷表面层和具有附着力的金属底层组成，可以避免高温燃烧。气体与金属基板直接接触，有效保护基板，延长发动机工作寿命，提高燃烧效率。它已成为现代航空发动机高压涡轮叶片制造的三大关键技术之一。目前应用最广泛的热障涂层制备技术是空气等离子体喷涂(APS)和电子束物理气相沉积(EB-PVD)技术。
   等离子喷涂-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的未来发展方向。与前两者相比，PS-PVD采用快速热喷涂技术实现大面积、均匀的物理气相沉积。通过改变等离子体射流状态，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等离子体射流具有良好的涂层性能，可在形状复杂的工件表面实现非直视热障涂层沉积。总的来说，PS-PVD方法有望在新一代超高温、高绝热和长寿命热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阻隔涂层
   环境屏障涂层是保证复合材料在航空发动机上长期使用的关键。它主要用于抵抗环境腐蚀，同时还具有堵塞和愈合裂缝和缝隙的功能。因此，选择环境屏障涂层材料必须满足以下四个基本条件。
   • 既要有良好的抗氧化性和耐腐蚀性，又要有低氧扩散率
   • 热膨胀系数必须与基材匹配，避免在热循环过程中因热应力产生裂纹、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
   • 与基材无有害化学反应，即与基材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mullite /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:稀土元素体系;第四代热/环境屏障涂层(T/EBC)系统。
   第三代环境屏障涂层已经基本满足了在1400℃气体环境下的长期使用，但着眼于复合材料的未来发展和应用，NASA结合高温合金上使用的热障涂层，提出了热/环境屏障涂层的设计。该概念是为了满足未来在1650℃水氧耦合环境下碳化硅/碳化硅衬里和叶片的使用要求。主体结构由四层组成。第一层为表面耐高温热障涂层，主要由La2Zr2O7、Gd2Zr2O7等导热系数较低的陶瓷材料组成，对底层薄膜和基材提供隔热保护，可作为第一级辐射屏蔽层。为了减少来自高温燃烧室环境和膜表面高温的红外热辐射;第二层为能耗层和化学阻隔层;第三层为环境阻隔层，第四层为纳米复合键合层。
3. 耐高温耐磨密封涂层
   随着能源危机的加剧，提高发动机效率和降低燃油消耗已成为当前航空发动机的研发重点之一。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件的设计和开发中引入了一种可磨损的密封涂层，以保持最小的气路间隙，提高发动机的性能。采用高温可耐磨密封涂层对发动机涡轮的气路进行密封，可以减小涡轮叶片尖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。一般设计要求是涡轮叶片与密封涂层接触刮擦时，涂层刮擦后叶片磨损很小，且摩擦系数要小，避免刮擦与涂层产生的高温或叶片烧蚀开裂，这样高温就能磨损密封。涂层必须具有一定的抗摩擦功能。金属基耐磨密封涂层具有优异的抗气流侵蚀性能，而氧化物陶瓷基耐磨密封涂层的抗气流侵蚀性能相对较差。因此，必须高度重视涂层制备方法的材料组成和参数控制，以保证涂层的使用寿命。
   近年来，等离子喷涂MCrAlY高温合金型(如NiCrAlY、CoCrAlY、NiCrAlYSi等)可磨性密封涂层和陶瓷基(如稀土氧化物稳定型ZrO2、A12O3等)可磨性密封涂层取得了显著进展，且膜具有可磨性。抗侵蚀性能明显提高。MCrAlY具有耐高温氧化和耐热腐蚀性能。通常，加入聚苯酯作为成孔剂。聚苯酯经加热去除后，在膜内留下许多细小且分布均匀的孔隙，可降低膜的硬度，增加膜的耐磨性。性能降低了薄膜对涡轮叶片的磨损。加入六方氮化硼或氟化物作为减摩擦自润滑材料可降低摩擦系数。高温耐磨密封涂层厚度一般超过1.5mm。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，保证涂层结构和厚度的均匀性和再现性。
4. 热喷涂陶瓷膜代替镀硬铬
   由于硬铬电镀对环境造成长期危害，且电镀废液中的六价铬对人体健康造成严重危害，因此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)和高速空气燃料(HVAF)、WC-Co、WC-Co- cr、Cr3C2-NiCr陶瓷涂层、等离子喷涂Cr2O3、A12O3-TiO2氧化物陶瓷涂层等已在工业上得到应用。它已经得到了广泛的应用，必然会完全取代硬铬镀法。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WC-Co-Cr2涂层在耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性等关键性能指标上明显优于传统硬铬电镀层。Cr3C2-NiCr涂层广泛应用于高温摩擦磨损环境。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陶瓷硬质涂层广泛应用于发动机密封和飞机运行部件的磨损防护。其耐磨性和耐腐蚀性比传统镀硬铬高几倍。
5. 纳米涂层
   纳米材料技术是20世纪80年代诞生的一门新兴技术，目前仍在迅速发展，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、电沉积等方法是获得纳米涂层或薄膜的典型方法。近10年来，研究人员利用PVD(包括磁控溅射、离子束溅射、射频放电离子镀、等离子体离子镀、EB-PVD等)在纳米单层和纳米多层薄膜的制备方面取得了许多成果。纳米Ti (N, C, CN)， (V, Al, Ti, Nb, Cr) N, SiC， β-C3N4， α-Si3N4, TiN/CrN, TiN/A1N, WC-Co涂层可用于飞机轴类零件，具有耐磨、防腐性能。等离子喷涂纳米A1203-TiO2涂层已被用于航空发动机的空气密封。采用纳米Y2O3-ZrO2涂层对涡轮叶片进行隔热保护。添加石墨烯和碳纳米管复合材料使涂层具有雷达隐身功能。
   热喷涂是制备纳米涂层最具竞争力的方法之一。与其他技术相比，它具有施工方法简单，涂层材料和基材选择广泛，薄膜制备厚，沉积速率高，层成分易于控制，易于形成复合功能涂层，适用于大型部件等诸多优点。采用纳米团聚粉末作为热喷涂材料，通过严格控制工艺参数，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，可以制备纳米涂层。

航空航天市场的未来前景

根据日本飞机协会的一项调查，由于新兴国家的强劲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加，预计未来20年将增加约一倍。每架飞机都由大约300万个部件组装而成。为了满足这种批量生产需求，表面处理在航空工业中的应用需求不容小觑。此外，根据欧盟委员会的统计，飞机排放的温室气体约占全球温室气体的4%，并且仍在增长。欧盟的目标是到2050年将飞机每公里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，飞机制造商必然会更加积极地引入新材料和关键部件，这必然会进一步增加对相应新兴表面处理技术的需求。