陶瓷、金屬表面的TC涂層技術(shù)

航空發(fā)動機中的生產(chǎn)技術(shù)

從噴氣發(fā)動機開始應(yīng)用以來，人們一直在不斷努力進步發(fā)動機的性能。以進步噴氣發(fā)動機推力、燃料消耗比為特點的高性能及環(huán)境適應(yīng)性要求，一年比一年高。
為滿足（適應(yīng)）這些高性能的要求，對發(fā)動機本身的輕量化、透平發(fā)動機的高溫化及壓縮機的高壓化等提出了更高的要求，在生產(chǎn)技術(shù)上也需有大的發(fā)展。生產(chǎn)技術(shù)決定了競爭力，表面改性技術(shù)是競爭力中的關(guān)鍵。

（1）表面改性（功能膜形成）技術(shù)
為適應(yīng)高溫化，在新材料開發(fā)、表面改性（功能膜形成）技術(shù)開發(fā)、冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)上都得到了發(fā)展。
在航天航空領(lǐng)域中，噴氣發(fā)動機等金屬零部件上的功能膜形成技術(shù)有CVD、PVD、電鍍、噴涂、堆焊等，這些技術(shù)的缺點是設(shè)備投資大，對技能的依靠性強，且有些工藝需增加清洗、制作掩膜等預(yù)處理工序及除往掩膜、邊界處理等后處理工序，有些還會產(chǎn)生熱變形、膜體剝落等題目，不適于流水線生產(chǎn)。

（2）新功能膜成形技術(shù)
IHI和三菱電機開發(fā)了一種能集成在機械加工生產(chǎn)線、可制備各種功能膜的新型成形技術(shù)，即在放電涂層技術(shù)的基礎(chǔ)上對模具及工具加工表面進行涂層的新技術(shù)。采用該新涂層技術(shù)，金屬陶瓷薄膜、厚的金屬堆焊層以及金屬陶瓷和金屬的混合層都能形成。由于利用了放電能量，故稱之為MS涂層（微弧涂層）。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，進而開發(fā)出了適用于各帚部件的功能薄膜或堆焊層。

TC涂層技術(shù)
TC涂層技術(shù)是采用含金屬或陶瓷等成分的電極進行放電表面處理，形成耐久性、耐磨性優(yōu)異的高質(zhì)量功能薄膜技術(shù)。由于不需要熟練操縱職員和前后處理工序，適合于自動化生產(chǎn)線；又因不需要昂貴的蒸發(fā)爐等設(shè)備，簡化了制造工程，用度大大降低。

（1）TC涂層的原理
將由涂層材料粉末做成的電極與被處理材料放進盡緣油中加電壓，此時，電極與被處理材料間開始脈沖放電（每秒約1萬次），電極材料逐漸向基體遷移，材料溶融接合，形成薄的陶瓷涂層或厚的金屬堆焊層。通過選用不同的電極和加工條件，能形成致密光滑或疏松帶孔的涂層組織。

（2）TC涂層的主要優(yōu)點
金屬表面涂層的主要方法有堆焊、噴涂、電鍍等，MS涂層和這些方法相比有如下優(yōu)點
表1 TC涂層和其它技術(shù)的比較
特性：TC涂層－電鍍－堆焊－噴涂
集成于生產(chǎn)線：輕易－困難－困難－困難
用度：小－大－中－大
前后序處理：幾乎不需要－掩膜保護－需精加工－掩膜保護
質(zhì)量：穩(wěn)定－可剝落－產(chǎn)生裂紋－可剝落
變形：沒有－沒有－大－有
涂層材質(zhì)：陶瓷、金屬－金屬－金屬－陶瓷、金屬

環(huán)境：

①基體變形極小，沒有裂紋
焊接時焊接部分的熱脹冷縮很大，極易產(chǎn)生變形及裂縫。TC涂層時產(chǎn)生的是微量級的微細脈沖放電，由于在其局部反復(fù)進行溶融接合，基體的收縮受到限制，因此變形很小，沒有裂紋。

②涂層薄膜不會剝離
采用噴涂、電鍍等方法時金屬僅附著在基體的表面，有剝離的可能性，而MS涂層是溶融接合，不會產(chǎn)生剝離。

③能在要求位置上加工，毋需前處理工序
由于TC涂層只在電極和基體放電處天生涂層，因此不像噴涂、電鍍等工藝需掩膜保護等前處理工序。

④不依靠于技能就能確?？煽康馁|(zhì)量
傳統(tǒng)的溶接作業(yè)，為了保證質(zhì)量，需要熟練技工手工作業(yè)，而采用TC涂層設(shè)備，不依靠于熟練技工，就能確保質(zhì)量的可靠。

⑤組建小規(guī)模生產(chǎn)線成為可能
噴涂、電鍍等設(shè)備規(guī)模大才能組成生產(chǎn)線，而MS涂層設(shè)備規(guī)模小，能方便組成生產(chǎn)線。

應(yīng)用實例和可應(yīng)用場合
TC涂層技術(shù)在噴氣發(fā)動機中的應(yīng)用有的正在進行試驗，有的已在飛機上進行了實際工況的驗證。

（1）高溫耐磨實例
低壓透平動葉片凸緣的摩擦面上堆焊了含鉻的鈷合金。采用焊接工藝時，有大量余量須手工后序往除。而TC涂層能堆積成所要求的厚度尺寸，不需再加工。
由該堆積層采用傳統(tǒng)焊接法和TC涂層法的磨損狀況比較可以看出，從低溫到高溫，TC涂層都沒有多大的磨損。
試驗條件：表面壓強：7MPa；振幅：1mm；摩擦次數(shù)：100萬次。
采用TC技術(shù)涂覆TiC涂層的零件比未涂層的同一帚件的耐磨性要優(yōu)良得多。

（2）耐磨損實例

①對低壓透平動葉片凸緣0.7mm厚的密封端部涂覆了金屬陶瓷。將涂層件與靜止件蜂窩密封部分摩擦，蜂窩密封處已出現(xiàn)一定程度磨損時，涂層件沒有磨損，無涂層時就有磨損，蜂窩上形成了金屬材料的轉(zhuǎn)移。

②壓縮機動葉片端部內(nèi)側(cè)曲面上涂覆15μm厚的金屬陶瓷，空氣密封所用密封的厚0.3mm端涂覆金屬陶瓷。當(dāng)有摩擦?xí)r，只是靜止零件的密封部分被磨損，自身沒有磨損。由于葉片端部磨損后，發(fā)動機性能下降，需進行定期檢查和堆焊修補，采用TC涂層后，大大減少了堆焊修復(fù)的頻率。

（3）堆焊修理實例
①用鎳合金制成的壓縮機動葉片的端部堆焊0.4mm的鈷合金。葉片前緣和后緣厚度僅為0.2mm,但卻可以堆焊0.4mm厚的鈷合金。
②在單向凝固的鎳合金材料透平機動葉片前端堆焊0.4mm的鈷合金。在單向凝固材料上進行焊接是很困難的，須沒有焊接裂紋，且需保證前端部的凹度，采用微弧堆焊是可行的工藝方案。
③鎳合金的低壓透平機靜止葉片位置的溝槽側(cè)面堆焊0.4mm的鈷合金。即使是狹窄的溝槽，只要電極能接近，就可以進行微弧堆焊和涂層。
④在鎳合金工件外圓上使用小電極可對回轉(zhuǎn)工件進行均勻的金屬堆焊。并可方便地對不答應(yīng)變形的已加工完成的工件進行修補。

（4）軸的涂層實例
使用小電極，將工件回轉(zhuǎn)，能在鎳合金的外圓上均勻涂覆金屬陶瓷。涂覆后工件表面硬度可達HV2000，耐磨性得以進步，且金相組織結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變。
歐佩特公司正在噴氣發(fā)動機領(lǐng)域大力推廣TC技術(shù)，它特別適用于耐高溫、高壓及高速回轉(zhuǎn)時耐磨損要求的噴氣發(fā)動零部件。