可磨耗封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)特性對(duì)涂層工作性能和服役壽命有重要影響，但缺乏這方面的系統(tǒng)介紹。封嚴(yán)涂層主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣—葉尖之間的間隙控制，提升機(jī)匣與葉尖之間的氣密性，并作為犧牲涂層來(lái)保護(hù)葉片葉尖，防止在葉尖與機(jī)匣碰摩過(guò)程中發(fā)生“硬碰硬”的碰撞。綜述了多層多孔結(jié)構(gòu)、蜂窩-涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)形式的封嚴(yán)涂層及其相應(yīng)制備技術(shù)。發(fā)現(xiàn)多層多孔結(jié)構(gòu)目前仍然是封嚴(yán)涂層的主要應(yīng)用結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要通過(guò)在噴涂過(guò)程中調(diào)控涂層孔隙，達(dá)到涂層可磨耗性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕等多種性能的平衡。結(jié)合蜂窩結(jié)構(gòu)封嚴(yán)與可磨耗封嚴(yán)涂層各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)和制備出蜂窩—涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)，這種結(jié)構(gòu)能夠提升封嚴(yán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗氧化性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制備出納米結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層，相比傳統(tǒng)可磨耗封嚴(yán)涂層，納米結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層表現(xiàn)出更好的綜合性能。最后，提出納米結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)可能成為未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)可磨耗封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，而3D打印技術(shù)的日趨成熟將能夠制備出更加多樣化的涂層結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備和實(shí)際應(yīng)用具有參考意義。
為降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，提高其工作效率，封嚴(yán)廣泛應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)靜部件的結(jié)合部位，用于氣路密封[1-5]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉尖與機(jī)匣之間存在間隙，間隙過(guò)大嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和能耗[6]，降低飛機(jī)續(xù)航能力，提高其運(yùn)營(yíng)成本。葉尖徑向間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)各零部件工作效率和耗油率的影響如圖1 所示，例如渦輪葉尖間隙和葉片長(zhǎng)度比值每增加 1%，其效率約減小 1.5%，相應(yīng)的耗油率約增加 3%[7-8]。因此，為了提升效率，降低燃油消耗，應(yīng)盡可能減小葉尖與機(jī)匣之間的徑向間隙[9]。但是，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2 所示[10]，這種非周期運(yùn)動(dòng)軌跡可能導(dǎo)致葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁發(fā)生碰摩，為防止葉尖與機(jī)匣內(nèi)壁發(fā)生 “硬碰硬”的碰撞，常在機(jī)匣內(nèi)壁制造可磨耗封嚴(yán)，起到保護(hù)葉片葉尖及控制葉尖與機(jī)匣之間間隙的目的[11-13]。目前機(jī)匣—葉尖之間的可磨耗封嚴(yán)主要分為蜂窩結(jié)構(gòu)和可磨耗封嚴(yán)涂層。蜂窩結(jié)構(gòu)封嚴(yán)一般采用鎳基材料，通過(guò)釬焊工藝焊接在機(jī)匣內(nèi)壁上?？赡ズ姆鈬?yán)作為碰摩過(guò)程中的磨耗方，每隔一定時(shí)間就須要重新制備修復(fù)，蜂窩結(jié)構(gòu)封嚴(yán)存在釬焊工藝復(fù)雜、維修不方便的缺點(diǎn)，可磨耗封嚴(yán)涂層因其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，便于維修，被越來(lái)越多的航空發(fā)動(dòng)機(jī)用于葉尖與機(jī)匣之間的密封。
圖1 徑向間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件效率和耗油率影響（ Δ / L 為葉尖到機(jī)匣距離與葉片長(zhǎng)度的比值）Fig.1 Effect of radial clearance on efficiency and fuel consumption of aero-engine parts ( Δ / L is the ratio of the tip-to-casing distance to the blade length)
圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸心軌跡圖[10]Fig.2 Axis path diagram of aero-engine rotor system[10]封嚴(yán)涂層按照工作溫度可分為低溫封嚴(yán)涂層 （400℃以下）、中溫封嚴(yán)涂層（400～800℃）和高溫封嚴(yán)涂層（800℃以上）。目前研制的中、低溫封嚴(yán)涂層已能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)工況要求。但是隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷提高，其渦輪前端溫度超過(guò)了 1 800℃[13]，高溫封嚴(yán)涂層高溫下的工作性能受到了前所未有的挑戰(zhàn)，提升封嚴(yán)涂層高溫下的工作性能成為研究熱點(diǎn)。常見高溫封嚴(yán)涂層可分為以 MCrAlY 合金為基相的高溫合金封嚴(yán)涂層，以及以氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯（Y2O3 partially stabilized ZrO2，YSZ）為基相的陶瓷封嚴(yán)涂層。目前，以 GE 公司和 Metco 公司為代表，研制出了多種高溫合金和高溫陶瓷封嚴(yán)涂層，其研發(fā)技術(shù)位于世界前列。近年來(lái)，中國(guó)研究人員也對(duì)高溫封嚴(yán)涂層制備技術(shù)以及如何提升其服役性能問(wèn)題進(jìn)行了大量研究，包括涂層材料選擇、工藝參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面，這些研究也取得了很好的成果[14-15]。在葉片與可磨耗封嚴(yán)涂層碰摩過(guò)程中，磨損機(jī)理比較復(fù)雜，包括刮削、黏著磨損、高溫氧化和腐蝕等[16-19]。另外，涂層還要承受高速氣流和外來(lái)顆粒的沖刷，容易產(chǎn)生脫落。因此，理想的可磨耗封嚴(yán)涂層要有良好的綜合性能，兼顧可磨耗性、耐腐蝕、耐氧化、抗熱沖擊等性能[20]。封嚴(yán)涂層高溫工作性能的提升可通過(guò)涂層材料體系設(shè)計(jì)[11]、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[21-22]和制備工藝優(yōu)化[23-24]等實(shí)現(xiàn)。過(guò)去幾十年，研究人員主要研究如何通過(guò)封嚴(yán)涂層材料體系設(shè)計(jì)，提升其高溫工作性能；近些年，封嚴(yán)涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始吸引研究人員的關(guān)注，特別是隨著仿生材料、異質(zhì)異構(gòu)材料、復(fù)合材料、納米材料等技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)和制備出一些具有新型結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)涂層。本文綜述航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見的機(jī)匣-葉尖可磨耗封嚴(yán)結(jié)構(gòu)及其制備方法，不同結(jié)構(gòu)對(duì)涂層的微觀組織、硬度、抗氧化、耐腐蝕和抗熱震性等方面的影響規(guī)律，并提出機(jī)匣—葉尖封嚴(yán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備的未來(lái)發(fā)展方向。1 多層多孔封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)常見的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)為多層、多孔結(jié)構(gòu)，涂層主要包括黏結(jié)層和頂部可磨耗層。此外，封嚴(yán)涂層在高溫環(huán)境下工作一段時(shí)間后，由于與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，會(huì)在黏結(jié)層和頂部可磨耗層之間生成熱生長(zhǎng)氧化層（Thermal growing oxidation，TGO）[25-26]。多層層狀結(jié)構(gòu)涂層內(nèi)部結(jié)合力不強(qiáng)，在葉尖碰摩和高溫高壓氣流沖蝕下，涂層容易發(fā)生脫落、磨損等失效現(xiàn)象。涂層的孔隙分布在整個(gè)涂層中，保證涂層具有良好的可磨耗性。但是，過(guò)多的孔隙會(huì)削弱涂層內(nèi)部的結(jié)合力，同時(shí)也方便氧氣侵入涂層，間接促進(jìn)了氧化反應(yīng)，使 TGO 快速生長(zhǎng)，導(dǎo)致涂層過(guò)早剝落失效?？梢?，可磨耗封嚴(yán)涂層的性能不僅與層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與其孔隙率有密切關(guān)系[27]。為了獲得綜合性能優(yōu)異的可磨耗封嚴(yán)涂層，研究人員采用多種材料和制備工藝制備不同孔隙率的封嚴(yán)涂層，并探究了涂層結(jié)構(gòu)和孔隙對(duì)涂層性能的影響。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層最常見的制備技術(shù)為大氣等離子噴涂（Atmospheric plasma spraying，APS）和火焰噴涂（Flame spraying，F(xiàn)S）。研究人員采用 APS 和 FS 技術(shù)制備出了一系列不同材料、適應(yīng)不同工況的封嚴(yán)涂層[28-36]，其中一些涂層已經(jīng)被應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。IRISSOU 等[34]通過(guò)調(diào)整噴涂工藝參數(shù)獲得了不同微觀結(jié)構(gòu)和孔隙率的封嚴(yán)涂層，發(fā)現(xiàn)降低孔隙率能夠增加涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度，但是孔隙率過(guò)低弱化了涂層的可磨耗性，在與葉片相互作用過(guò)程中，可能導(dǎo)致葉片損傷。LI 等[35]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)改變噴涂距離和乙炔的流量能夠改變涂層微觀結(jié)構(gòu)，得到不同孔隙率（30%～70%）的封嚴(yán)涂層，如圖3 所示，當(dāng)乙炔流量為 300 L / h 時(shí)，噴涂距離對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)有明顯影響，孔隙率隨噴涂距離增加而減小；當(dāng)噴涂距離為 60 mm 時(shí)，孔隙率隨乙炔流量增加而減小，其原因是噴涂距離和乙炔流量增加時(shí)，噴涂材料的融化程度會(huì)增加，沉積形成的涂層組織致密，孔隙率下降，如圖4 所示。CHENG 等[36]采用 APS 和 FS 兩種技術(shù)，在鈦合金（Ti2AlNb）基體上制備了 NiCrFeAlN-YSZ-NiCrAl 三層結(jié)構(gòu)的層狀封嚴(yán)涂層（如圖5 所示）。NiCrFeAlBN 為頂層磨耗層，YSZ 為中間過(guò)渡層， NiCrAl 為黏結(jié)層，整個(gè)涂層結(jié)合良好，每層微觀結(jié)構(gòu)均勻，硬度適中，具有較好的熱循環(huán)性能，能夠滿足高壓壓氣機(jī)工作要求。采用熱噴涂技術(shù)制備多層多孔結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)涂層，微觀組織為片狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部組織以及涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度低。因此，涂層容易因葉片碰摩和氣流熱沖擊導(dǎo)致脫落。為了克服熱噴涂涂層缺陷，研究人員不斷改進(jìn)制備工藝并開發(fā)了具有新型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的涂層。于芳麗等 [37-38] 采用超音速等離子噴涂 （Supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS）制備封嚴(yán)涂層。發(fā)現(xiàn) SAPS 技術(shù)提高了顆粒的噴射速度，沉積涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度增加，微觀結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率減小。涂層能夠有效防止高溫氣體和腐蝕介質(zhì)的侵蝕，減緩氧化和腐蝕。WANG 等[39]采用混合液體（溶膠）前驅(qū)體等離子噴涂（Solution precursor plasma spraying，SPPS）制備的多孔涂層組織中含有未融化顆粒，這些團(tuán)聚顆粒改變了涂層微觀結(jié)構(gòu)，使涂層內(nèi)部組織嵌合作用增強(qiáng)。在熱循環(huán)試驗(yàn)中，涂層主要生成垂直裂紋，而不是橫向裂紋，這使涂層具有較好的抗熱震性能。圖3 三種不同噴涂距離時(shí)涂層微觀結(jié)構(gòu)比較（乙炔流速：300 L / h）和三種不同乙炔流速下涂層微觀結(jié)構(gòu)比較（噴涂距離：60 mm）[35]Fig.3 Comparison of the microstructure of the coatings at three different spraying distances (acetylene flow rate: 300 L / h) and comparison of the microstructures of the coatings at three different acetylene flow rates (spraying distance: 60 mm) [35]Fig.4 Variation trend of porosity of coating [35]程濤濤等[15，40-41]為提高層狀結(jié)構(gòu)涂層的力學(xué)性能，避免傳統(tǒng)封嚴(yán)涂層的陶瓷面層過(guò)早剝落，仿照貝殼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種具有強(qiáng)韌性的“磚–泥”層狀結(jié)構(gòu)，如圖6 所示，將釔鋁石榴石作為黏結(jié)相，采用噴霧造粒方法制備陶瓷團(tuán)聚顆粒，接著利用 APS 技術(shù)制備“磚”層涂層，將異丙醇和 MK 樹脂攪拌制成“泥”，然后噴涂在封嚴(yán)涂層表面，在熱循環(huán)試驗(yàn)中，“泥”層優(yōu)先開裂，消耗了大部分熱應(yīng)力，保護(hù)了“磚”層結(jié)構(gòu)，提高了涂層的熱循環(huán)壽命。圖5 三層層狀結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層橫截面表面形貌[36]Fig.5 Surface morphology of cross-section of three-layer layered structure sealing coating[36]圖6 “磚–泥”層狀結(jié)構(gòu)涂層示意圖和涂層橫截面表面形貌[41]Fig.6 Schematic diagram and cross-sectional surface morphology of 'brick-mud' layered structure coating[41]李淑青等[42-43]利用電子束毛化工藝，在傳統(tǒng)基材表面制備釘狀結(jié)構(gòu)，然后在釘狀結(jié)構(gòu)上噴涂封嚴(yán)涂層。這種結(jié)構(gòu)有利于涂層沉積，并在涂層和基材之間形成鎖嵌結(jié)構(gòu)，如圖 7 所示，以此來(lái)增加涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度，提高涂層抗剝落能力。傳統(tǒng)多層多孔結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層，通過(guò)調(diào)節(jié)孔隙率難以同時(shí)滿足硬度、結(jié)合強(qiáng)度和可磨耗性三種性能要求，這是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)涂層難以調(diào)和的矛盾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，TONG 等[44-45]提出了一種新型球形閉孔結(jié)構(gòu)，其表面形貌如圖8 所示。將石墨（Graphite）、酚醛樹脂空心微球（HMS）和環(huán)氧樹脂膠體混合在一起，然后噴涂在基體上，添加石墨顆粒是為了提高涂層的自潤(rùn)滑性，避免葉片過(guò)渡磨損。HMS 發(fā)揮孔隙的作用，降低涂層硬度。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層相比，這種新型球形閉孔結(jié)構(gòu)涂層具有良好的力學(xué)性能，兼顧了硬度和結(jié)合強(qiáng)度要求，同時(shí)涂層表現(xiàn)出良好的可磨耗性。圖7 三種釘狀結(jié)構(gòu)基板[42]和鎖嵌結(jié)構(gòu)涂層[43]Fig.7 Substrate with three kinds of spike structure[42] and interlocking structural coatings[43]Fig.8 Surface morphology of HMS particle and coating[44]2 蜂窩—涂層復(fù)合封嚴(yán)結(jié)構(gòu)在各種可磨耗封嚴(yán)結(jié)構(gòu)中，蜂窩結(jié)構(gòu)獨(dú)特的六角形核心單元結(jié)構(gòu)能夠減少旋轉(zhuǎn)葉片葉尖與機(jī)匣之間的氣流泄漏，同時(shí)具有很高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可磨耗性[46]。蜂窩封嚴(yán)主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)和低壓渦輪葉片葉尖與機(jī)匣之間的密封[33]，減小壓氣機(jī)和渦輪葉片與機(jī)匣之間的徑向間隙，實(shí)現(xiàn)良好的氣路密封，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)材料選用鎳基超級(jí)合金，例如哈氏合金、海恩斯 214 合金或其他鎳基合金材料[47]。制備蜂窩結(jié)構(gòu)封嚴(yán)主要包括以下幾個(gè)步驟：首先將金屬合金材料加工成波浪形狀的金屬薄片，厚度在 70～150 μm；然后將多片金屬薄片點(diǎn)焊組合成周期性的蜂窩結(jié)構(gòu)；最后，通過(guò)釬焊將蜂窩結(jié)構(gòu)與基材或背板連接在一起[48-49]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中，葉片碰摩金屬蜂窩產(chǎn)生切削和磨損。為了研究二者之間的碰摩機(jī)理，PYCHYNSKI 等[50-51]簡(jiǎn)化了金屬蜂窩和葉片的接觸形式，用單一的金屬箔片替代整個(gè)金屬蜂窩進(jìn)行摩擦測(cè)試。在摩擦試驗(yàn)工作臺(tái)上，讓金屬箔片分別從三個(gè)不同角度和不同形狀葉片進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，以評(píng)估金屬蜂窩和葉片之間的摩擦磨損行為。結(jié)果表明接觸力、摩擦溫度和磨損行為三者之間相互影響。此外，在高溫環(huán)境下，蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的合金元素易發(fā)生氧化反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱化。SPORER 等[47]指出，一方面是在蜂窩結(jié)構(gòu)釬焊過(guò)程中，額外的熱處理使釬焊材料中的合金元素?cái)U(kuò)散到蜂窩結(jié)構(gòu)中，并與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，另一方面是工作過(guò)程中，高溫燃?xì)鈴姆涓C小孔進(jìn)入，導(dǎo)致蜂窩結(jié)構(gòu)被氧化和腐蝕。為了進(jìn)一步改善蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的工作性能，卞祥德等[52]在蜂窩封嚴(yán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種蜂窩 —涂層復(fù)合的封嚴(yán)結(jié)構(gòu)：將封嚴(yán)涂層噴涂在蜂窩結(jié)構(gòu)上，讓涂層和蜂窩嵌合在一起，如圖9 所示。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層具有厚度均勻、附著力強(qiáng)和抗熱震性能好等特點(diǎn)，原因是噴涂的表面涂層可以為蜂窩結(jié)構(gòu)提供一層熱隔離層，使蜂窩結(jié)構(gòu)遭受的熱沖擊減小，氧化速率變慢；而且底部的蜂窩結(jié)構(gòu)能為涂層提供支撐，增強(qiáng)涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。PATHAK 等[53]也設(shè)計(jì)并制備了這種由金屬蜂窩和陶瓷材料組成的抗熱沖擊復(fù)合封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)由 SS321 合金材料制成，陶瓷材料為 ZrO2＋7.5%Y2O3＋4% 聚酯（Metco 2460 NS），采用 APS 技術(shù)將陶瓷材料噴涂在蜂窩表面，如圖10 所示。測(cè)試結(jié)果表明， YSZ 填充蜂窩設(shè)計(jì)提高了蜂窩密封的結(jié)構(gòu)完整性，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)涂層相比，蜂窩—涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)具有更好的斷裂韌性，蜂窩為涂層提供機(jī)械錨定，優(yōu)化了涂層的抗熱震性能。圖9 蜂窩—涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)Fig.9 Honeycomb-coating composite structure
圖10 兩種結(jié)構(gòu)化涂層的微觀結(jié)構(gòu)比較[53]Fig.10 Microstructure comparison of two structured coatings[53]卞祥德等[54]還設(shè)計(jì)了一種蜂窩增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，利用激光或者電子束工藝毛化基材表面，然后將蜂窩結(jié)構(gòu)釬焊在基材上，再采用 APS 技術(shù)在蜂窩結(jié)構(gòu)上多角度噴涂制備封嚴(yán)涂層，最后采用機(jī)加工的方式改變涂層表面結(jié)構(gòu)，加工成弧形狀或臺(tái)階狀。通過(guò)表面加工構(gòu)型，降低了涂層粗糙度，使封嚴(yán)涂層與壓氣機(jī)或渦輪葉片形成良好的配合，從而提高涂層密封效果。納米陶瓷團(tuán)聚粉末自 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，開始被運(yùn)用到熱噴涂涂層中。研究發(fā)現(xiàn)，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層具有多種優(yōu)良性質(zhì)，其耐磨性和滑動(dòng)磨損性均優(yōu)于傳統(tǒng)層狀結(jié)構(gòu)的熱噴涂涂層，但其硬度低于常見層狀結(jié)構(gòu)涂層。另外，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層和微米結(jié)構(gòu)涂層相比，具有更高的韌性和抗裂紋擴(kuò)展性。其原因是：傳統(tǒng)熱噴涂涂層組織呈層狀分布，結(jié)合強(qiáng)度較弱，而納米結(jié)構(gòu)涂層中，半熔融的納米顆粒團(tuán)聚在一起，形成致密納米區(qū)，增強(qiáng)了界面韌性和結(jié)合強(qiáng)度[55-57]，如圖11 所示。圖11 納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層示意圖和 SEM 圖[55]Fig.11 Schematic diagram and SEM image of nanocomposite structural coating[55]常見的納米復(fù)合涂層有三種：第一種是將納米粒子和涂層材料混合在一起，噴涂在基材上形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層；第二種是將制備好的納米纖維或納米管嵌在涂層中形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)；第三種是在基材上直接制備多層納米級(jí)厚度的涂層，構(gòu)成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層[58]，如圖12 所示。在制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層過(guò)程中，采用特定的熱噴涂工藝，將半熔融的多孔納米陶瓷顆粒嵌入涂層微觀結(jié)構(gòu)中，能使涂層硬度下降，提高其可磨耗性。對(duì)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層進(jìn)行可磨耗性測(cè)試，結(jié)果表明涂層測(cè)試區(qū)域磨痕清晰干凈，沒有宏觀裂紋和碎裂區(qū)[57]。熱噴涂是制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層最常用的方法，但是，在噴涂、沉積過(guò)程中，納米材料可能因高溫作用發(fā)生降解從而丟失納米結(jié)構(gòu)。因此，引入 SPPS 新技術(shù)來(lái)制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層[59]。WANG 等[60]采用該技術(shù)制備了 8YSZ 納米結(jié)構(gòu)可磨耗封嚴(yán)涂層并進(jìn)行熱沖擊、力學(xué)性能等性能測(cè)試。結(jié)果表明，涂層結(jié)構(gòu)中的納米顆粒能改善孔隙率，降低硬度并增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度。此外，涂層表面具有出色的抗熱震性能，延緩了熱沖擊導(dǎo)致的涂層失效。SUN 等[61]以納米結(jié)構(gòu)的氧化鋯（YSZ）粉末為原材料，采用 APS 技術(shù)和 SPPS 技術(shù)制備了傳統(tǒng)可磨耗封嚴(yán)涂層（C-YSZ）和納米結(jié)構(gòu)可磨耗封嚴(yán)涂層 （M-YSZ），然后從微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、抗氧化性和耐高溫腐蝕性四個(gè)方面測(cè)試并對(duì)比了兩種涂層性能。結(jié)果表明，與 C-YSZ 涂層相比，M-YSZ 涂層孔隙率略低，但是大孔數(shù)量明顯減少，孔隙平均尺寸和晶粒尺寸均小得多，內(nèi)部組織致密，如圖13 所示。M-YSZ 涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度也低于 C-YSZ 涂層，使得 M-YSZ 涂層具有良好的可磨耗性。氧化測(cè)試結(jié)果表明，C-YSZ 涂層中生成平行于 TGO 層的大裂紋，而 M-YSZ 涂層中生成垂直涂層表面的小裂紋，主要原因是 M-YSZ 涂層納米尺寸孔隙和致密的組織減緩了氧擴(kuò)散，同時(shí)均勻分布的納米尺寸孔隙釋放了生成 TGO 時(shí)的殘余應(yīng)力，減少了涂層剝落的風(fēng)險(xiǎn)。這說(shuō)明 M-YSZ 涂層具有良好的抗高溫氧化能力。但是 C-YSZ 涂層和 M-YSZ 涂層的抗熱腐蝕性能都不理想。圖12 三種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層示意圖Fig.12 Schematic diagram of three kinds of nanocomposite structural coatingsFig.13 Cross-sectional surface morphologies of two coatings[61]
近年來(lái)，隨著激光增材制造技術(shù)的快速發(fā)展，激光沉積也用于制造納米結(jié)構(gòu)涂層，其制備的涂層內(nèi)部組織緊密，孔隙和裂紋很少，涂層和基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層的耐高溫性能得到優(yōu)化。XIA 等[62]采用光內(nèi)送粉激光沉積技術(shù)制備了 CoCrNiAlY 合金涂層，為減小涂層硬度和殘余應(yīng)力，在粉末中加入 20%的低熔點(diǎn)物質(zhì) CaF2，由于 CaF2 在沉積過(guò)程中被熱分解和蒸發(fā)，涂層的過(guò)冷度和凝固速度會(huì)隨著熔點(diǎn)的降低而降低，晶粒形態(tài)和亞結(jié)構(gòu)形態(tài)從等軸晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變。激光沉積過(guò)程中，Y 元素轉(zhuǎn)化為納米顆粒狀的 Y2O3，生成的細(xì)胞和樹枝狀亞結(jié)構(gòu)均由分散的納米 Y2O3 和高密度位錯(cuò)構(gòu)成，并且納米 Y2O3 顆粒起到錨定氧化層（Al2O3），并提高涂層界面結(jié)合強(qiáng)度和韌性的作用。
本文介紹了不同結(jié)構(gòu)可磨耗封嚴(yán)涂層的制備方法，著重綜述了不同結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層的性能表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)封嚴(yán)涂層能夠改善其工作性能：
（1）多層多孔結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層目前已在工業(yè)上得到應(yīng)用，其通過(guò)調(diào)控涂層孔隙率和孔隙尺寸，以調(diào)整涂層硬度和耐磨性，達(dá)到調(diào)整涂層可磨耗性的目的，但孔隙率的提高，會(huì)降低涂層的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕等性能，工作過(guò)程中，在與葉片碰摩的條件下，易發(fā)生過(guò)快磨損和剝落失效。
（2）蜂窩—涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上結(jié)合了蜂窩密封與可磨耗涂層密封的各自優(yōu)點(diǎn)，涂層頂部陶瓷層能夠提高蜂窩的抗氧化能力，而蜂窩結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榭赡ズ耐繉犹峁┲危岣呖赡ズ耐繉拥慕Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度，蜂窩結(jié)構(gòu)釬焊工藝比較復(fù)雜，再?gòu)?fù)合噴涂工藝，會(huì)導(dǎo)致蜂窩—涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)封嚴(yán)工藝更加復(fù)雜，降低封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的可維護(hù)性。
（3）納米結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層利用噴涂技術(shù)，將納米結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)涂層材料噴涂到基體上，形成納米結(jié)構(gòu)的封嚴(yán)涂層，測(cè)試結(jié)果表明與傳統(tǒng)微米封嚴(yán)涂層相比，納米結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層表現(xiàn)出了更好的綜合性能。納米結(jié)構(gòu)封嚴(yán)涂層的制備難點(diǎn)是，納米顆粒在到達(dá)基體表面前容易在高溫下發(fā)生融化而失去納米結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致涂層納米結(jié)構(gòu)失效。安全、高效是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。封嚴(yán)涂層在保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣和提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率方面發(fā)揮著重要作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度升高，對(duì)封嚴(yán)涂層的性能要求也提高了。筆者認(rèn)為，未來(lái)可磨耗封嚴(yán)涂層技術(shù)的發(fā)展主要包含以下兩個(gè)方面：
（1）通過(guò)材料設(shè)計(jì)來(lái)提升涂層的工作性能。近年來(lái)，采用陶瓷材料、納米材料制備封嚴(yán)涂層成為研究熱點(diǎn)，其良好的耐高溫性能，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫工況。尤其是由納米材料制備的封嚴(yán)涂層，綜合性能更佳，能實(shí)現(xiàn)封嚴(yán)涂層可磨耗、耐高溫、抗熱震等性能平衡。
（2）涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提升涂層工作性能的重要途徑。納米結(jié)構(gòu)涂層、仿生結(jié)構(gòu)涂層已開始引起研究人員的興趣。為了實(shí)現(xiàn)新型的涂層結(jié)構(gòu)，噴涂制備技術(shù)遇到了很大的挑戰(zhàn)，一些新的制備技術(shù)，如 3D 打印技術(shù)，為結(jié)構(gòu)化涂層的制備提供可能，可以采用 3D 打印技術(shù)制備封嚴(yán)涂層的強(qiáng)化骨架，再利用噴涂技術(shù)填充骨架之間的空隙，通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化強(qiáng)化骨架的布局和載荷分配，可實(shí)現(xiàn)不同性能且具有強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的可磨耗封嚴(yán)涂層制備。
