先进还是落后?碳化钨涂层技术被用于欧美飞机发动机等部件的增强

2019-04-19 15:03:42      点击:

在前几天的一篇文章中,有网友认为钨是航空发动机中已经被淘汰的材料,可是小编仍固执地认为,钨的物理和化学特性使其在航空航天中仍不可或缺,特别在发动机增强涂层方面,钨的应用是众所周知的。在这个小长假期间,小编查阅了图书馆较多的相关资料,稍作了笔记。今日便以这两天的整理来介绍一种应用于航天航空领域的碳化钨涂层工艺,难免班门弄斧,欢迎讨论。

碳化钨材料其较高的硬度、耐磨性、耐高温、耐腐蚀性能,被广泛地应用于航空航天、石油、冶金、机械等领域。在一般工业应用中,我们称它为硬质合金涂层,通常是以碳化钨/钴为原材料,在镍或铁基材料表面进行超音速喷涂而形成一个保护层,可以增加基体的耐磨和使用寿命。原则上,这种类工艺的实施成本并不便宜,但相对于整个零部件的损坏和整体更换成本来说,其省下的金额是很可观的。在航天发动机研发领域,表面增强涂层是最为引人注目的技术之一,碳化钨就是一种重要的飞机零部件强化涂层基础材料。

碳化钨

随着高新技术的快速发展,航空业对材料不断提出多方面的性能要求。金属陶瓷?确实有,不过大部分航空所说的金属陶瓷都是复合材料,工艺成分无从知晓,但大多都有添加钨成分,例如负热膨胀材料钨酸锆、钨铝陶瓷等,有优势也有劣势,因材而异,肯定不是万能的。回归我们的主题,现有的涂层工艺有超音速火焰喷涂碳化钨、硬铬电镀、物理气相沉积碳化钨和爆炸喷涂碳化钨等。尽管这些应用在某些领域中取得了成功,但各有其局限性。

在欧美最知名的航空制造企业中,它们所普遍采用的是一种叫做低温化学气相沉积(CVD)涂层技术,这是一种用于沉积碳化钨涂层的工艺,已被认为是实用的,技术上和商业上可行的解决方案,能够显着增加飞机部件寿命,被普遍应用于台风、F16等第三代战机的喷气发动机上。

之所以采用CVD涂层技术,这是因为在一般的硬质合金喷涂技术中,都需要用到钴,钴作为碳化钨材料的粘结相,可以提升材料致密性能,但相对的,钴会降低耐磨和耐腐性能。CVD涂层技术可以不用钴,它属于纳米结构钨/碳化钨涂层系列,它是由低压气体介质逐原子结晶而成的。它通过构建了一个致密的钨层和钨碳化物成分粘合在一起的保护层,从而在飞机部件内表面和复杂形状上均匀无孔地涂层,尤其适用于无法使用喷涂技术的设计和复杂的几何形状。典型的CVD涂层应用包括飞机上的燃油计量阀、反推推杆、销钉,衬套,轴承,吊钩,渔获物,起落架,襟翼轨道和板条,套筒,杆,阀门,气动活塞和气缸。

碳化钨

与硬铬电镀法相比,CVD碳化钨涂层技术可以直接转换到最小预涂层部件设计变更,其厚度(50μm至100μm)和硬度(800HV至1,200HV),上限超过电镀法的最大硬度。这也是因为分散的碳化钨纳米粒子赋予材料更高的硬度,可以控制和调整硬度,使典型范围为800维氏硬度和1600维氏硬度,适用于不同的涂层类型。CVD涂层通常以50μm的厚度施加,结合了高硬度和增强的韧性和延展性,提高了耐磨性和抗侵蚀性,并且能够承受冲击和部件变形。

欧美工程师曾使用高频往复式测试台测试CVD硬质合金涂层的耐磨性。使用硬铬电镀不锈钢板和CVD涂层钢板进行对比。硬铬电镀不锈钢板缉获迅速达到临界1.0摩擦系数和65N负载,就已严重磨损无法继续测试。而采用CVD涂层的样品,干摩擦系数稳定在0.2左右。没有观察到磨损,即使受到试验台的最大负荷。测试结果表明,CVD材料硬度比硬铬电镀涂层高出13倍。同理测试,它是超音速火焰喷涂性能的3倍左右。

还有,低温化学气相沉积碳化钨涂层技术可以不使用易受酸影响的钴。因此,CVD碳化钨涂层可以抵抗更多侵蚀性的化学物质,并可用作防腐屏障。由于沉积机理,低温化学气相沉积碳化钨涂层孔隙率低,不需要密封。钨和碳化钨具有很高的耐化学性。在与硬铬电镀法、超音速火焰喷涂法的对比测试中,涂有硬铬电镀法、超音速火焰喷涂和CVD涂层的低碳钢板经过480小时的中性盐雾试验,硬铬电镀法样品严重腐蚀并因此在288小时后从测试中移除。超音速火焰喷涂涂层样品显示出严重的锈迹并且涂层起泡,CVD样品仅显示轻微染色。

碳化钨

CVD碳化钨涂层的另一个优点是它们对密封件,轴承和其他反体部件无磨损质量。均匀的纳米结构允许涂层均匀磨损并保持或甚至改善表面光洁度 - 即使在磨蚀性或腐蚀性环境中。对于液压执行器,旋转轴和轴承,涂层保持良好的表面,减少弹性体和PTFE密封件的磨损,防止漏油,并有助于降低飞机执行器和传动部件的维护要求。

总之,碳化钨涂层技术在航天航空业的应用中非常普遍,不管是客机也好,战斗机也行,它都能有效解决航空设备的磨损,延长航空设备的使用寿命。