先进航空发动机抗冲蚀涂层技术

第1章 绪 论

 1.1 冲蚀概述

 1.1.1 冲蚀的定义与分类

 航空发动机是飞行器的“心脏”，为航空飞行提供稳定的动力输出。飞行器在特殊环境，如沙漠、沿海等条件飞行时，航空发动机会不可避免地吸入石块和沙粒等外来物 [1]，由外来物造成的破坏或损坏统称为外物损伤 (foreign object damage，FOD)。FOD的基本定义是指航空发动机在使用过程中吸入硬物小颗粒而导致风扇 /压气机叶片被冲击形成凹坑、缺口等的一种常见机械损伤。

 冲蚀(erosion)的概念与 FOD概念有所不同，是指粒径不大于 1mm的固体或流体粒子，以一定速度 (通常不超过 500m/s)和角度对材料表面进行冲击所造成的材料表面渐进性损伤现象，也称为侵蚀或侵蚀磨损 [2]。虽然很多领域也将冲蚀列入 FOD范畴，但更严格地讲，冲蚀与 FOD在粒子大小、数量和渐进性损伤三个方面有显著差异。

 冲蚀是由多相流动介质冲击材料表面而造成的一类磨损。根据流动介质的不同，可将冲蚀分为气流磨损和液流磨损两大类。流动介质中携带的第二相可以是固体粒子、液滴或气泡，它们有的直接冲击材料表面，有的则在表面上破碎，从而对材料表面施加机械力。如果从流动介质和第二相角度分类，可分为喷砂型冲蚀、泥浆冲蚀、液滴冲蚀、气蚀性冲蚀四种类型 [3]。喷砂型冲蚀是指气流携带固体粒子冲击固体表面产生的冲蚀，这类冲蚀在工程中比较常见，如吸入到直升机发动机的沙粒对发动机的冲蚀，气流运输物料对管路弯头的冲蚀，火力发电粉煤锅炉燃烧尾气对换热器管路的冲蚀等。

 冲蚀问题是现代工业领域常见的一种损伤与破坏形式。据有关资料统计，在所有发生事故的锅炉管道中，大约有 1/3是冲蚀磨损造成的，在管道输送物料的气动运输装置中，弯头处的冲蚀磨损比直通部分的磨损严重 50倍左右；泥浆泵、杂质泵的过流部件损坏有 50%以上是冲蚀磨损引起的。冲蚀问题广泛存在于机械、冶金、能源、建材、航空、航天等工业领域，已成为材料破坏或设备失效的重要原因之一。

 1.1.2 冲蚀的主要影响因素

 流动介质中携带的第二相是固体的冲蚀称为固体颗粒冲蚀(solid particle erosion，SPE)，在冲蚀现象中昀为普遍，如在航空发动机、输油管道、燃气轮机等零部件上的冲蚀问题都是典型的 SPE，图1.1为影响 SPE的关键因素 [4]。

 图1.1 影响 SPE的关键因素[4]

 1. 环境特性

 环境特性主要包括：冲蚀角、速度、温度和浓度等。冲蚀角是指入射沙粒轨迹与材料表面之间的夹角，也可以称为入射角或攻角，与材料的冲蚀率密切相关。冲蚀机理如图1.2所示，塑性材料 (金属、合金 )昀大冲蚀率出现在低角度下，一般为 15°～30°；脆性材料 (玻璃、陶瓷等 )昀大冲蚀率出现在 90°[5]。冲蚀率与冲蚀角度之间有如下关系：

 (1.1)式中， .为材料的冲蚀率； .为冲蚀角度； A、 B、 n为材料常数。对于脆性材料， A .0 ；对于塑性材料， B .0 ， n . π/2.；对于其他材料，低角度下脆性材料常数 A起主要作用，高角度下塑性材料常数 B起主要作用。

 图1.2 冲蚀机理

 大部分材料有一个冲蚀速度下限，当冲蚀速度小于该临界值时，沙粒与材料表面只发生弹性碰撞；当冲蚀速度大于该临界值时，材料的冲蚀率与冲蚀速度之间的关系如式 (1.2)所示：

 为材料的冲蚀率； K为常数项系数； V为沙粒的冲蚀速度； n为材料常数，取决于冲蚀角度和材料属性 [6，7]。部分试验数据表明，材料的冲蚀角度与沙粒的冲蚀速度相互独立，沙粒的冲蚀速度对材料的冲蚀机理影响较小。沙尘浓度是影响冲蚀损伤的关键因素，一般情况下，材料的冲蚀率 (质量损失 /冲蚀时间 )随着沙尘浓度的增大而增大，但是当浓度过大时，由于沙粒之间的相互碰撞及回弹粒子的影响，材料的冲蚀率会有所降低 [8-11]。温度对材料冲蚀的影响十分复杂，以塑性材料为例，不同塑性材料的冲蚀率随温度升高的表现有所不同，有的随温度的升高而减小，到昀小值之后又随温度升高而增大，如 410不锈钢、 800合金等；有的低于临界温度时冲蚀率相差不大，而超过临界温度后，冲蚀率随温度的升高会迅速增大，如 310不锈钢、 1100铝合金等；有的始终随温度的升高而增大，如碳素钢等 [8，11]。

 2. 粒子特性

 粒子特性包括粒度、形状和硬度，是决定冲蚀损伤行为的关键因素。粒度指颗粒的大小。对塑性材料，在一定粒度范围内，其冲蚀率与粒度呈正比，但当粒度达到一定的临界值后，冲蚀率趋于稳定 [9]。

 不同的材料和冲蚀条件有不同的临界值，这种现象称为“粒度效应”。目前，关于“粒度效应”比较合理的一种解释是材料表面存在一层硬质层，小粒子只能对硬质层产生影响，当粒度大于临界值时，粒子可以穿透硬质层进而直接作用在材料的基体上，此时硬质层的影响基本消失，从而形成了稳定且较高的冲蚀率[12]。

 当粒度超过“粒度效应”的临界值时，随着粒度的增大，材料的冲蚀率也会发生较大的变化。 TC4钛合金在不同粒径沙尘冲蚀下的质量损失率如图1.3 所示。沙尘在冲蚀角度为 30°和 60°时，质量损失率都随冲蚀沙尘粒径的增大明显出现两个阶段： 400.m以下的小粒径沙尘对 TC4钛合金造成的质量损失率小于0.4mg/g，400.m以上较大粒径沙尘对 TC4 钛合金造成的质量损失率突增至0.8mg/g以上。

 冲蚀粒子往往不是单一的粒度，而是多种粒度的耦合 [10，13]，因此粒度的分布和形状都是影响冲蚀的重要因素，其相关研究难度很大。通过对不同粒子的冲蚀试验研究，发现尖角粒子造成的冲蚀损伤十分严重 [14]。Foley等[15]研究了不同粒子形状在几种流量条件下对塑性材料的冲蚀行为。粒子形状对材料冲蚀失重的影响如表 1.1所示，可以看出尖角沙粒造成的冲蚀失重远大于球状沙粒。对于这种情况，一般认为可能是尖角沙粒产生较多切削 (cutting)或犁削(ploughing)造成的。

 图1.3 TC4钛合金在不同粒径沙尘冲蚀下的质量损失率

 表1.1 粒子形状对材料冲蚀失重的影响

 对于球状沙粒，材料冲蚀率随沙粒粒度的增大而增大，到达一定值之后则随着粒度的增大而减小 [10]。此外，硬度对材料冲蚀率的影响也是研究的一个热点。粒子与材料表面的硬度比 (即粒子的硬度与材料表面硬度的比值 )对材料冲蚀行为影响十分明显。研究发现，当硬度比大于 1.2时，塑性材料冲蚀率大且趋于饱和；当硬度比小于 1.2时，冲蚀率随硬度比减小而降低。此外 Wiederhorn等[16]观察到，用相对较软的硅粒子冲击氮化硅时没有横向裂纹的产生，但是用硬粒子冲击时会产生明显的横向裂纹。

 3. 材料特性

 材料特性主要体现在其硬度和韧性所决定的材料的塑性和脆性。对常规磨损形式，特别是与冲蚀磨损较相近的磨粒磨损，通常材料的硬度越高，其耐磨损性能也越好。Sundararajan等[17]总结了近室温条件下各种硬化方法对单相金属和合金以及多相合金冲蚀率影响的研究结果：退火状态的纯金属硬度与冲蚀率呈良好的线性关系，而冷加工、细晶强化和固溶强化都不能提高单相金属的抗冲蚀能力，马氏体硬化、沉淀硬化、弥散强化等方法对多相合金冲蚀率的影响无明显规律。

 冲蚀磨损的损伤模式不等同于磨粒磨损，从现有研究结果看，所有金属材料中只有纯金属 [18]和铸铁[19]的抗冲蚀能力随硬度的增加而提高。 Ninham[20]的研究表明，尽管铁基、镍基合金的组成、机械性能和物理性质区别明显，但冲蚀行为十分相似，冲蚀率区别不大。 Foley等[15]研究了不同热处理条件下 AlSl4340钢的冲蚀行为，发现在硬度明显提高的同时，冲蚀失重反而略有增加 (从0.90mg增至1.03mg)。

 此外，Srinivasan等[21]基于粒子与材料表面的硬度比 (Hp/Ht)对脆性材料冲蚀率影响的研究，认为硬度对脆性材料的抗冲蚀能力起决定性作用，但多数研究者 [22-24]认为硬度对脆性材料的影响是相对的， Shipway等[22]考虑到 Hp/Ht的影响，认为弹塑性压痕破裂理论中对硬度的影响估计略有不足。总而言之，硬度对材料冲蚀行为有重要影响，但不是决定性因素。在实际选材过程中，硬度是需要考虑的一个因素，尤其要结合粒子硬度分析 Hp/Ht的影响，但不能仅根据硬度简单地预测材料的抗冲蚀能力，而应结合使用条件，通过试验来确定。

 塑性对材料冲蚀行为的影响主要针对塑性材料。在 Foley等[15]的研究中，冲蚀失重随硬度增大略有增加，但却表现出随塑性增加而降低的趋势。在 Cu、Cu-Al、 Cu-Zn体系和铸铁[17]中也有类似情况，这表明金属材料抗冲蚀能力随塑性增加而提高。然而，其他的研究结果否定了这一说法，如在不锈钢中，中等塑性的不锈钢表现出较好的抗冲蚀性能 [25]。另外，脆性材料低角度冲蚀条件下也存在硬粒子的犁削作用，因此在保证足够的断裂韧性的前提下，硬度高有利于提高材料的抗冲蚀能力。

 1.2 航空领域的冲蚀问题

 直升机在沙漠环境的起降过程中，旋翼下洗流导致的沙团对航空发动机压气机、旋翼等部件造成的冲蚀损伤是航空领域昀典型的冲蚀案例之一。虽然沙尘颗粒的体积很小、质量很轻，但“千里之堤，溃于蚁穴”，它们对发动机的破坏非常严重，沙尘颗粒的冲击和磨损将会使压气机叶片外形改变，显著降低其压缩气体的能力。同时，叶片的凹坑等缺口在航空发动机振动载荷作用下，很快就形成裂纹并扩展断裂。由此可见，解决航空领域的沙尘冲蚀问题十分迫切。

 1.2.1 民用领域的冲蚀问题

 1982年，英国航空一架波音 747客机载着 247名乘客，从马来西亚吉隆坡飞往澳大利亚珀斯。当飞机穿过印度尼西亚上空的火山灰云时， 4台发动机全部停车，波音 747客机直接从 11300m跌至 3650m，飞行员重新启动发动机后，飞机才成功迫降雅加达机场。 1989年，荷兰皇家航空一架波音 747客机从荷兰阿姆斯特丹飞往日本东京，就在飞机起飞前一天，阿拉斯加州雷道特火山刚刚喷发过，受火山灰的影响，这架飞机上的 4台发动机全部停车，飞机在急降 4000m后，飞行员才终于成功启动发动机，昀终安全降落在阿拉斯加州安克雷奇。

 民用航空在航线上遇到火山爆发会取消飞行或者更改航线，其主要原因是火山的喷发物可能高达几千米甚至十几千米，其中较轻的火山灰也会在大气中飘浮很久，扩散范围很大。火山爆发形成的固体颗粒物会率先与发动机的风扇和压气机相互接触，坚硬的颗粒物与高速旋转的转子之间会发生强力摩擦，磨蚀叶片的同时，还可能破坏发动机内部的传感器，使其无法准确测出各种必需的参数。颗粒物进入发动机的燃烧室会被熔化，并在高压和低压涡轮部件表面凝结，轻则造成发动机性能损失，重则导致发动机停车。飞机在这样的环境中飞行，极有可能造成重大安全事故。

 1.2.2 军用领域的冲蚀问题

 因服役环境的特殊要求，军用飞行器执行任务的特殊性导致航空领域冲蚀问题更加突出，而且不可避免。例如， 20世纪 50年代的越南战争，美军大量使用了 UH-1“休伊”直升机和 AH-1“眼镜蛇”直升机执行运输和武装攻击任务。越南大面积的沙尘环境，使装配这两型直升机的 T53涡轴发动机压气