航空发动机封严涂层腐蚀行为及防护技术研究

【类型】学位论文

【作者】雷冰 

【关键词】 航空发动机 封严涂层 电偶腐蚀 防腐技术

【摘要】封严涂层广泛用于航空发动机风扇、压气机等部位，对提高发动机效率、降低油耗进而提升发动机整体性能有重要意义。封严涂层体系具有多层、多孔结构，当发动机在海洋环境下停放及运行时，封严涂层会受到严重的腐蚀破坏:停放期间涂层面临常温电偶、闭塞区腐蚀;运行时则面临中温盐和水蒸汽综合作用腐蚀。调研发现，我国现役的封严涂层腐蚀状况十分严重，极大地影响了航空发动机的安全运行，然而我国对封严涂层的腐蚀行为目前尚无系统研究，对封严涂层的腐蚀防护技术关注不够。针对这一问题，本论文系统开展了现役封严涂层在发动机停放和运行两种腐蚀环境下的腐蚀行为及防护技术研究，探讨了封严涂层的腐蚀评价方法，为现役封严涂层的安全服役提供保障，为新型耐蚀涂层的开发提供理论支持，为封严涂层的日历寿命预测技术提供基础。br 本文首先调研了现役航空发动机上封严涂层使用及腐蚀现状。Al-BN封严涂层用于发动机风扇及压气机1～4级，主要面临常温环境下电偶腐蚀;压气机第5级用CuAl-Ni/C与6～9级用NiCrAl-Ni/C封严涂层主要面临中温盐和水蒸汽综合作用腐蚀。针对不同腐蚀特征，系统开展了三种现役涂层的腐蚀行为研究。Al-BN封严涂层在含氯溶液中腐蚀时，涂层体系会发生Al-BN表层、NiAl连接层和不锈钢基体三部分的电偶腐蚀，其中Al-BN表层为阳极，NiAl连接层和基体为阴极，Al-BN表层在电偶作用下发生自发点蚀。Al-BN点蚀过程伴随负差数效应，导致Al-BN腐蚀过程中13％的阳极电流被析氢反应消耗。电偶腐蚀过程中，由于涂层孔隙内闭塞区腐蚀效应，Al-BN涂层体系中的电偶阴极的阴极过程减速，电偶阳极的阳极过程加速，导致涂层体系的电偶腐蚀呈三阶段发展特征，腐蚀速率先降低后上升，最后平稳。Al-BN涂层的多层多孔结构以及涂层体系各层之间的电化学性质不匹配是导致严重电偶腐蚀的原因。在中温盐和水蒸汽综合作用环境下，CuAl-Ni/C和NiCrAl-Ni/C封严涂层均发生严重的整体腐蚀破坏。腐蚀过程中，涂层的自润滑相C烧蚀，导致涂层可磨耗性能降低;涂层的金属基腐蚀氧化，导致涂层抗冲蚀能力下降。涂层中各相间的电偶作用会加速中温环境下的电化学过程，进而使整体腐蚀速率加快。CuAl-Ni/C和NiCrAl-Ni/C涂层结构疏松，成分设计不合理是导致严重中温腐蚀的原因。在现役三种封严涂层腐蚀问题研究的基础上，研究了封严涂层的腐蚀防护方法。对于常温水溶液环境下腐蚀的Al-BN涂层，增加连接层厚度可以延缓电解质从表层渗透到基体的时间，降低涂层体系前期的腐蚀速率;将现役的中间层Ni5Al的成分调整为Ni20Al，可以降低Al-BN涂层体系的耦合电位，降低腐蚀速率。对于中温环境下服役的封严涂层，采用BN自润滑相和抗中温腐蚀的金属基材料，提高材料成分均匀性，适当降低涂层孔隙率是提高涂层耐中温腐蚀的有效方法。在该方法指导下，制备的NiCuAl-BN和NiCrAl-BN封严涂层具有很好的抗中温盐和水蒸汽腐蚀能力，可作为现役CuAl-Ni/C和NiCrAl-Ni/C的替代材料。进一步探讨了适用于封严涂层的腐蚀检测及评价方法。可磨耗指标和抗冲蚀指标对涂层整体腐蚀状态敏感，可以作为封严涂层整体腐蚀综合评价指标。单摆冲击划痕和冲砂实验可用于封严涂层的实验室腐蚀检测手段。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李瑛

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