论文导读：发动机叶片的腐蚀十分严重。表面施加耐腐蚀防护层只是其中一个环节。

　　关键词：海上型飞机，发动机叶片，腐蚀失效，防护层

　　前言

　　腐蚀是飞机发动机压气机和涡轮转子及静子叶片主要的表面失效形式。表面腐蚀的发生会使叶片的形状尺寸产生变化，如出现蚀点、蚀沟、掉块等，从而降低发动机性能和使用寿命。海上飞机因为长期在盐雾腐蚀介质下飞行和停放，发动机叶片的腐蚀十分严重，尤其是一些设计使用环境为北方内陆地区的老旧机种。这些机种在研制和生产时都没有考虑和采用沿海地区使用的各项防腐措施。因此在北方内陆地区使用时几乎不存在腐蚀，但在南方沿海使用时，压气机叶片和涡轮叶片腐蚀、断裂导致发动机损坏就成为多发性故障，一些腐蚀严重的机种在返厂翻修时甚至出现压气机叶片几乎需要全部更换的情况。对于涡轮叶片，由于目前还没有普遍采用先进的表面技术进行表面防护，在海盐、硫和高温的综合作用下发生热腐蚀，造成叶片表面金属氧化加速、氧化皮成片脱落甚至叶片断裂，也成为近些年来海航发动机主体结构的多发性故障和危险性故障之一。

　　1海洋大气环境因素对发动机叶片腐蚀的影响

　　相较于陆基飞机，海上飞机发动机叶片的腐蚀失效具有多发性和严重性，这和海上飞机发动机的工作及停放环境为海洋大气紧密相关。对于压气机叶片，因为长时间处于空气湿度大、温度高、盐雾重的环境里，海洋大气中的含盐粒子沉积在压气机叶片表面，产生吸湿潮解作用，使金属表面液膜的电导增大，加上氯离子本身具有很强的侵蚀性，因而加剧压气机叶片的电化学腐蚀。同时一些工业发达的沿海地区，大气中还含有SO2、Cl2、CO2、CO和氮氧化物等污染物。这些污染物的存在进一步加剧金属的电化学腐蚀，其中以SO2的影响为最大。而NH4+、NO2含量高则容易使铝合金叶片产生剥蚀。

　　用耐热合金制成的涡轮叶片不会发生电化学腐蚀，但在发动机工作时会产生热腐蚀以及高温氧化。海洋大气环境对涡轮叶片腐蚀的影响主要表现在热腐蚀上，即高温下NaCl等海盐粒子与含硫的气态介质作用，生成熔盐，附着在叶片表面，破坏叶片表面氧化层，使内层金属的氧化速度加快。实验证明，工作气氛中盐份里的钠能提高氧化物离子的活度，生成挥发性氯化氢，加速叶片表面氧化层的破裂。

　　2 发动机叶片在海洋大气环境中的耐蚀性及腐蚀失效形式

　　压气机叶片的常用制造材料有铝合金、不锈钢和钛合金，其中钛合金耐海洋腐蚀性最好。硬铝（LY2，Al—Cu—Mg系合金）和锻铝（LD2、LD6、LD7、LD7-1，Al—Mg—Si—Cu系合金）在海洋大气中的耐蚀性相对较差，容易发生点蚀、晶间腐蚀、剥蚀等。不锈钢叶片容易形成点蚀和晶间腐蚀。此外，由于工作叶片在发动机工作时要承受很大的拉应力和振动应力，会产生应力腐蚀和腐蚀疲劳。用耐热合金制成的涡轮叶片一般不会发生电化学腐蚀，但在工作时会发生热腐蚀。

　　2.1点蚀

　　点蚀具有很大的破坏性和隐患性，它使叶片更容易发生晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳，点蚀会成为这些局部腐蚀的起源。铝合金和不锈钢在海洋大气中都会发生点蚀。两种材料表面都有保护膜或钝化膜，当钝化膜表面存在裂缝、擦伤、夹杂等缺陷时，就很容易形成点蚀。当叶片表面液膜中的氯离子含量增大时，点蚀速率也会加大。

　　几种铝合金在海洋大气中的点蚀倾向稍有不同。实验表明，防锈铝、锻铝在海洋大气中的抗点蚀能力好于硬铝。不锈钢产生点蚀的具体形态除了蚀孔还有坑蚀、麻点、蚀沟等等。

　　2.2晶间腐蚀

　　晶间腐蚀一般从表面开始，沿着晶界向内部发展直至成为溃疡性腐蚀，最后使整个构件的金属强度几乎全部丧失，对结构的安全危害很大。晶间腐蚀的产生必须具备两个条件：一是晶界物质的物理化学状态与晶粒不同，另一个是特定的环境因素如潮湿大气、电解质溶液等。不锈钢和铝合金叶片在海洋大气中都会发生晶间腐蚀。如18-8钢在晶界析出沉淀相（Cr23C6），使晶界附近为贫铬区；硬铝合金沿晶界析出CuCI2造成贫铜区，使晶界和晶粒成为腐蚀微电池的阳极和阴极，海洋大气的潮湿和含盐特性加剧了微电池的腐蚀过程。

　　2.3剥蚀

　　剥蚀是形变铝合金的一种特殊腐蚀类型。硬铝和防锈铝对剥蚀都很敏感，这是因为这两种合金在海洋大气中都有较大的晶间腐蚀倾向。在材料经过形变制成叶片时，叶片表层具有了平行表面的层状晶粒组织。如果发生晶间腐蚀，形成的不溶性腐蚀产物比产生它们所消耗的金属占据更大的体积，形成张应力，就会导致尚未腐蚀的金属开裂或剥落。

　　2.4应力腐蚀

　　应力腐蚀是由拉伸应力和腐蚀共同作用引起的破坏。应力腐蚀的产生必须同时具备三个条件，即特定环境、足够大的拉伸应力、特定的合金成分和组织。铝合金、不锈钢在海洋环境中都有较大的应力腐蚀敏感性。

　　发动机叶片上作用的拉伸应力来源可能为：①机加工时产生的残余应力；②工作时作用的拉应力；③由于腐蚀产物的体积效应而造成的不均匀应力。科技论文。

　　改善材质、设法降低或消除应力、表面施加保护涂层使叶片与环境隔离，或使用对环境不敏感的金属作为镀层，采用这些措施可以有效防止应力腐蚀断裂。

　　2.5腐蚀疲劳

　　腐蚀疲劳是腐蚀与循环应力联合作用产生的。循环应力的形式较多，对发动机转子叶片来说，循环应力以交变的张应力和压应力（振动应力）最为普遍。腐蚀疲劳可以使叶片在很低的应力条件下发生破断，因此对发动机工作叶片的危害极大，尤其是铝合金和不锈钢转子叶片。

　　介质因素是影响腐蚀疲劳的因素之一。研究表明：随卤族离子浓度增加，介质溶液腐蚀性增加，腐蚀疲劳裂纹的形成和扩展也加速。所以在海洋大气环境中，叶片材料尤其是低温的压气机的疲劳极限都会有不同程度的下降。

　　采用阴极保护或施加合适的覆盖层，改善金属表面性能如表面引入压应力都可以改善金属的腐蚀疲劳性能。2.6热腐蚀和高温氧化

　　热腐蚀是金属表面由于氧化以及与硫化物或其它污染物（氯化物等）反应的复合效应形成Na2SO4熔盐，沉积在叶片表面，使金属表面正常的保护性氧化物熔解、离散和破坏，造成高温下叶片的氧化加速。引起发动机涡轮叶片热腐蚀的因素是发动机含硫的气态工作成分和海盐粒子。目前，随着飞机在海洋环境下飞行时间轮入口温度的增加，涡轮叶片热腐蚀的问题也更加突出，因此采取热腐蚀防护措施也尤其必要。

　　3压气机叶片的防护涂层

　　叶片的腐蚀控制是一个系统工作，包含材料和结构设计、机加工、表面防腐处理、发动机使用维修等多个方面内容。表面施加耐腐蚀防护层只是其中一个环节。在腐蚀介质和使用停放环境相对不变的条件下，这也是最有效的措施之一。防护层的防腐机理有电化学防护和障碍性防护两种。电化学防护包括牺牲阳极保护和外加电流阴极保护，相对而言，牺牲阳极保护比阴极保护的适用性更好一些。障碍性防护是采用物理、化学或电化学的方法，在叶片表面沉积、涂覆单层或多层防护层，或使叶片表面的化学成分、组织结构发生改变，生成结构致密的保护层，隔绝基体与盐雾介质的接触。在具体应用中，以采用二者合一的复合防护层为最佳，如钢叶片的防腐。而铝由于在海洋环境中的腐蚀电位较低，一般可以用作钢铁的牺牲阳极，但铝合金本身的腐蚀防护以障碍性防护为主。

　　3.1铝合金叶片的表面防护

　　目前铝合金表面障碍性防护涂层有很多种类，按成分划分有多孔氧化铝膜、致密陶瓷层、表面改性合金薄膜、聚合物膜、溶胶—凝胶膜等多种，所应用的表面处理技术包括化学转化、电化学转化以及一些新的方法。应用最普遍的是化学氧化或阳极氧化后涂漆。

　　在铝合金表面生成蜂窝状结构的多孔氧化膜的方法是化学转化和阳极氧化。多孔膜层经填充后可使氧化膜体积膨胀，致使膜孔缩小封闭，达到提高耐蚀性的目的。化学转化是金属表层原子通过化学反应，与溶液介质中的阴离子或原子结合，在铝合金表面生成与铝基材附着良好的耐蚀薄膜。铝合金的化学氧化工艺按溶液性质分为碱性氧化和酸性氧化。国外广泛应用的Aloding 氧化或Alocron氧化都属于酸性氧化，其耐蚀性优于一般化学氧化膜。阳极氧化是用铝合金作阳极，用铅、碳、不锈钢作阴极，在草酸、硫酸、铬酸等溶液中电解，生成以无水γ—Al2O3为主要成分的膜层。铝合金的阳极氧化工艺种类很多，目前应用最广泛的是硫酸阳极氧化。此外，在上述工艺基础之上发展起了特种阳极氧化方法如硬质阳极氧化、瓷质阳极氧化，可以极大提高氧化膜的耐蚀性和耐磨性。科技论文。

　　和多孔氧化膜相比，在铝合金表面生成陶瓷膜的防护系统的耐蚀性要更好，工艺方法有等离子喷涂加激光重熔、离子束辅助沉积、化学气相沉积、溅射沉积、微弧氧化（原位生成）等。这些工艺多涉及真空和高温，技术投入很大，目前基本上都处于实验室研究阶段，得到的膜层结构致密，与基体的结合牢固，耐蚀性很好，可极大提高铝合金在海洋环境中的耐蚀性，但是这些防护膜都存在微缺陷（如裂纹、气孔等），目前还不能从工艺上彻底解决。同时因为涂层很薄，生成速度过低，距离大批量生产应用还有一段距离。

　　3.2不锈钢叶片的防护层

　　用于不锈钢表面防腐的涂层有表面转化膜、合金涂层、陶瓷涂层、金属—非金属复合涂层等。

　　表面转化膜包括表面磷化膜和表面氧化膜，工艺简单，应用很普遍。但两种转化膜的使用温度都有限制（磷化膜低于150℃，氧化膜温度低于200℃），因此不适宜发动机叶片的防腐。

　　合金涂层有ZnAI合金防护、AIMg合金涂层、NiCr合金涂层以及AI、Ni—Cr复合涂层等。ZnAI合金防护、AIMg合金涂层是利用AI、Mg等元素的化学腐蚀电位比钢铁低，从而形成牺牲阳极保护。而NiCr合金涂层可以提高钢表面的电极电位。另外目前研究和应用较多的还有Ti－TiN、Ti—Mo合金涂层。多次重复实验的结果表明：低Mo的Ti—Mo合金涂层在氯离子含量大的海洋环境中抗蚀能力非常强，比Ti－TiN复合涂层好，完全适应海上工作的需要，并且耐冲刷能力强，可应用在压气机整流器的叶片上。

　　陶瓷涂层有氧化铝－氧化钛、氧化铬以及搪瓷等，涂层具有结构致密、防护效果好、表面硬度高、耐冲刷等优点。但成本较高，生产工艺还不是十分完善，距离实际应用目前也有一段距离。

　　金属—非金属复合涂层是金属涂层覆盖在钢叶片表面作为牺牲型阳极，非金属涂层在金属涂层上面，起到隔离作用。科技论文。这种体系克服了金属涂层存在微孔的缺点，增强了涂层的耐蚀性。在解决了疏松、抗冲刷能力差等问题后发展起来的各种涂层，已经在国内外一些发动机上采用，并取得较好的防腐效果。如广泛应用于压气机静子叶片上的Serwetel w涂层、WZL（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）都属于中温无机盐铝涂层，涂层由大量铝和无机盐构成，铝可对不锈钢中的铁形成阳极保护。

　　4 涡轮叶片的热腐蚀防护层

　　在涡轮叶片表面施加热障陶瓷涂层是隔绝燃气、防止热腐蚀发生的有效方法。目前研究应用较深入的是金属热扩散渗层及热喷涂涂层。渗层或涂层按元素组成分单元、双元、多元渗层或涂层。

　　单元渗层为单纯渗铝层。渗层的抗氧化性和抗H2S腐蚀性好，但不耐热腐蚀。双元渗层为Al—Cr、Al—Si、Al—Ti、Al—Ni、Al—Pt共渗层，耐热温度较单纯渗铝层高，但渗层容易与基体产生元素互扩。为此在渗铝前先镀铂或铑。但铂和铝在某温度范围内易生成脆性化合物，目前已用钯替代铂。严重腐蚀条件下或1100℃以上时双元渗层也会受到限制，于是发展了MCrAlY（M为Ni、Co、或NiCo）合金防护层，其制备方法有真空等离子喷涂、电子束物理气相沉积（EB—PVD）等。公认最好的方法是EB—PVD法。使用证明这是目前用于高温部件的最耐用防护层。

　　在MCrAlY合金防护层的基础上发展了性能最好的陶瓷热障涂层，其底层为MCrAlY粘接层，表层为ZrO2陶瓷层。陶瓷层可显著提高涡轮的工作温度，并且涂层有较高的表面光洁度，具有较好的抗热循环氧化性和优异的抗高温燃气冲蚀性及抗热震性能，即使在1650℃高温下长期使用，其热稳定性和化学稳定性都很好，使用寿命也更长。目前这一工艺的实际应用已推广到了涡轮静子和转子叶片上。陶瓷热障涂层主要问题是热应力引起涂层提早剥落。在涂层材料中加稀土或其它材料、采用多层和连续梯度结构、优化涂层工艺是改善涂层质量的方法。其中连续梯度涂层能实现基体与陶瓷层成分、性能的连续过渡，能够避免产生热应力，但目前还不能在工艺上实现。5 防腐涂层在海上型飞机发动机叶片上的实际应用情况

　　针对一些老旧机型发动机叶片腐蚀严重的情况，有关部门对新出厂的发动机在叶片上已开始实施了防腐措施。一些新机种在研制时就已经考虑了叶片在海洋环境中的防腐问题，同时还兼顾了封严、耐磨、憎水、隔热、抗高温氧化等多方面的问题。目前，铝合金叶片普遍采用了铬酸阳极氧化加涂防腐漆料的防腐措施，钢叶片一般都施加了金属—非金属复合涂层。如某型发动机ZG1Cr17Ni2钢叶片表面施加低温渗铝+A12S硅酸盐复合涂层后，发现铝渗入钢表面0.005～0.020mm，在基体表面形成了致密的Al2O3膜，次表面的铝与铁形成Fe2Al5过渡层。铝构成钢铁的牺牲阳极保护层。而硅酸盐溶液发生复合反应，形成了一种致密的、结合牢固的隔离屏障，阻止腐蚀介质对渗铝层和基体金属的侵蚀。通过2个100小时长试后，发现涂层完整，防腐效果显著，抗冲刷能力强，表面光洁度高，并且涂层很薄，不影响气动参数，适宜于压气机叶片使用。除了这些措施以外，有些发动机压气机叶片表面还进行了喷丸强化，细化了表面结构，在叶片表面引入了正应力，极大地改善了叶片抗应力腐蚀断裂和抗腐蚀疲劳性能。

　　涡轮叶片的防护国内一般采取了等离子喷涂钴（镍）铝钇（MCrAlY）的方法，明显提高了叶片的耐磨性和耐热腐蚀性能。随着航空发动机的发展，涡轮进口温度的提高，对涡轮叶片的要求也越来越高，所以一些发动机涡轮叶片开始采用高温渗铝包括简单渗铝、铝铬（钛、铂）共渗和更先进防护效果更好的MCrAlY溅射涂层。MCrAlY粘接底层加ZrO2的陶瓷热障涂层国外应用已相对成熟，国内已取得了实质性进步，并进入工程应用阶段。

　　6 发展海上飞机发动机叶片防腐涂层的几点建议

　　目前，腐蚀问题仍然是影响海上发动机性能和使用寿命的主要因素，发动机叶片的腐蚀防护还属于相对薄弱的环节。为了更好地改进海上飞机发动机叶片防腐涂层的研制和应用，建议有关部门加强如下几个方面的工作：

　　①发展性能更好的涂层体系，注重新的防护材料和防护体系结构的研究。目前表面防护技术在传统技术工艺的基础上已经引进了多种尖端技术，如激光、真空、离子、电子束技术等。科研部门应重视发展更新更好的涂、镀、渗材料，研制性能更好的覆盖层材料，开发出适合海上飞机发动机叶片用的多层防护系统。对压气机叶片来说，应以发展牺牲性涂层和障碍性涂层合一的涂层体系为目标。对于涡轮叶片，应用热障涂层，采用多元性元素的复合元素涂层，研制多层结构和连续梯度结构的涂层是今后发展的必然趋势；

　　②完善涂层制备工艺。防护涂层性能的好坏和涂层制备工艺有很大关系。在完善现有工艺方法的同时，应努力跟踪表面技术的最新前沿，重视对新技术和新工艺的研究；

　　③尽快建立科学合理的涂层性能评估体系。采用不同的表面处理技术得到的防腐涂层，其防腐效果，防护体系使用寿命、应用成本都是不一样的。因此有必要对各防护系统尤其是一些新体系进行全面的质量评估，最好对叶片防腐涂层的使用效果能够进行全寿命跟踪，从而对该体系的使用寿命和防腐效果作出科学的评价；

　　④加快先进涂层的实际应用工作。应尽快将一些已经应用于个别发动机叶片并且使用效果良好的防护体系推广应用于其它机型发动机叶片的防腐。

　　参考文献：

　　[1]徐可君， 江龙平。 海军用航空发动机的腐蚀及涂层[J].航空科学技术，1998（3）

　　[2]朱相荣， 王相润。 金属材料的海洋腐蚀与防护[M]. 北京：国防工业出版社，1999（3）

　　[3]钱苗根主编。 材料表面技术及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，1998.10

　　[4]李言祥， 沈文。 铝表面激光熔覆陶瓷原理和工艺的研究[J].表面技术，1997（6）

　　[5]李金桂主编。 现代表面工程设计手册[M]. 北京：国防工业出版社，2000

　　[6]董世运， 王茂才。 轻合金表面改性技术[J]. 航空工程与维修，1999（4）

　　[7]丁红波， 郑辅养， 温国谋。 铝合金的表面保护层[J]. 表面技术，1998（1）

　　[8]李淑华，尹玉军，李树堂。 铝及其合金的表面处理技术[J]. 材料保护，2001（3）

　　[9]隋育松，徐可君等。陶瓷涂层在航空发动机涡轮叶片表面处理中的应用。材料保护，2001，3

　　[10]柯伟。腐蚀控制研究的若干动向。腐蚀与防护。2001，1

　　[11]陈光。航空发动机发展综述。航空制造技术。2000，6

　　[12]《航空制造工程手册》总编委会主编。航空制造工程手册—发动机叶片工艺。北京：航空工业出版社，1998

　　[13]《航空制造工程手册》总编委会主编。航空制造工程手册—表面处理。北京：航空工业出版社，1998