航空行业热喷涂技术标准现状及发展设想_张欢欢.pdf

11航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&QualityStandardization Research 标准化研究航空行业热喷涂技术标准现状及发展设想张欢欢 高俊国（中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）摘要 通过分析航空行业热喷涂技术的标准现状，总结航空行业热喷涂技术标准体系存在的问题，初步提出了航空行业热喷涂技术行业及以上标准的发展设想。关键词 航空行业；热喷涂技术；标准现状；发展设想 中图分类号 T65 文献标识码 B 文章编号 1003-6660（2023）01-1114-04DOI 编码 10.13237/ki.asq.2023.01.030 引言热喷涂技术涵盖等离子喷涂、超音速火焰喷涂、普通火焰喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂等多项技术，在航空飞机、发动机零部件上具有十分广泛的使用，对于航空装备的研制生产具有重要的支撑作用。我国从“六五”计划开始在全国重点推广热喷涂技术1，技术相对比较成熟。虽然我国航空行业内热喷涂技术的发展起步较早，但是随着航空发动机与重型燃气轮机研制计划的实施，对热喷涂技术提出了新的更高的需求2。首先，随着对航空发动机性能要求的不断提高，对热喷涂涂层的性能提出了更高的要求，如对高温使用性能要求更高的热喷涂高温可磨耗涂层等；其次，为制备出高性能的热喷涂涂层，新的热喷涂工艺方法得到了开发和应用，如冷喷涂、等离子物理气相沉积等。目前我国航空领域热喷涂技术广泛应用于飞机、航空发动机零部件的隔热、封严、抗氧化和耐磨防护等，涉及到的零部件和涂层种类众多3，如飞机起落架耐磨涂层4、压气机的转子组件封严涂层、涡轮转子封严环封严涂层、涡轮叶片部件热障涂层等。热喷涂技术已经成为飞机、航空发动机等航空装备设计、研制、生产过程中用于提升零部件表面性能、延长使用寿命和提高使用可靠性的一项重要的表面防护技术。目前，各飞机、航空发动机主机厂均引进了国内外先进的热喷涂设备，并建立了稳定的热喷涂生产线。1 航空行业热喷涂技术标准现状热喷涂技术标准主要包括验收标准（含原材料和涂层验收标准）、工艺标准（含工艺质量控制标准）和专用检测方法标准。目前航空领域热喷涂技术行业及以上标准主要为国家标准和航空行业标准，此外航空主机厂所还编制了大量型号标准或企业标准。1.1 国家标准热喷涂技术国家标准中主要包括验收标准和检测方法标准，验收标准主要包括 GB/T19356-2003热喷涂粉末成分和供货技术条件、GB/T12608-2003 热 喷 涂 火 焰 和 电 弧 喷 涂 用 线材、棒材和芯材分类和供货技术条件和 GB/T18681-2002热喷涂低压等离子喷涂镍钴铬铝钇钽合金涂层等，但由于航空行业对热喷涂涂层及其所用原材料的指标要求往往更为严格，因此目前航空厂所很少执行国家标准，而通常执行相关的型号标准或企业标准。国家标准中热喷涂技术方面的检测方法标准主要有 GB/T 8640-1988金属热喷涂层表面洛氏硬度试验方法、GB/T 8641-1988热喷涂层抗拉强度的测定、GB/T 8642-2002热喷涂抗拉结合强度的测定和 GB/T 13222-1991金属热喷涂层剪切强度的测定等。但由于航空行业对热喷涂涂层性能要求具有一定特殊性，目前航空厂所很少执行国家标准，主要执行对应的航空行业标准，如 HB 5486-1991热喷涂涂层硬度试验方法、HB 5476-1991热喷涂涂层结合强12航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&Quality标准化研究 Standardization Research度试验方法、HB 5474-1991热喷涂涂层剪切强度试验方法和 HB 5475-1991热喷涂涂层抗拉强度试验方法或执行相关的企业标准。1.2 国家军用标准目前，已发布的国家军用标准中并无热喷涂涂层验收、工艺和检测方面的相关标准。北京航空材料研究院于 2019 年完成了树脂基复合材料用喷涂金属涂层规范标准的编制工作，目前处于待发布状态。该标准主要规定了树脂基复合材料表面喷涂铝（Al）、铜（Cu）金属涂层的要求、质量保证规定和交货准备等，所喷涂的金属涂层预定用于航空、航天等领域复合材料制件的电磁屏蔽、导电、防雷击等，也可用于特种天线结构电路的电磁波传输。1.3 航空行业标准据初步统计，现有热喷涂技术领域航空行业标准共 15 项，包括 5 项验收标准，2 项工艺标准和 8 项检测标准。由于受到计划渠道、经费安排等因素制约，热喷涂技术标准普遍存在制修订不及时，标龄普遍较长的问题，热喷涂技术标准的标龄分布如图 1 所示。从图中可以看出，目前制定的热喷涂技术航空行业标准主要集中在1990 年-1999 年发布，而 2010 年以后发布的热喷涂技术标准仅占 20%。01234567891990之前19901999200020092010至今数量/个图 1 热喷涂技术标准的标龄分布从现有热喷涂技术航空行业标准的标龄可以看出，很多标准的标龄已在 20 年以上，现有标准仅能满足第二代航空武器装备研制生产的标准需要。随着热喷涂技术的发展以及新型热喷涂技术的涌现，现有热喷涂技术航空行业标准已经难以满足三代及以上新型航空装备的研制及生产需求，具体表现如下：1.3.1 验收标准热喷涂技术验收标准主要存在以下几方面的问题：首先，验收标准普遍存在涂层牌号涵盖不全、技术指标不完善和性能指标要求偏低等问题。例如 HB 6738-1993热喷涂耐磨涂层质量检验存在涂层牌号涵盖不完全，缺少 WC-10Co4Cr、CoMoCrSi 和 NiAlW 等；技术指标不完善，如缺少弯曲性能、残余应力、耐磨损性能等、涂层显微组织图片需要丰富和完善等问题。HB 7236-1995热喷涂封严涂层质量检验存在涂层牌号涵盖不完全，缺少 NiCrAlY/PHB、AlSi-PHB 等；技术指标不完善，如缺少球形孔洞尺寸要求、外观要求不够细化、涂层显微组织图片和外观图片需要丰富和完善等问题。HB 7269-1996热喷涂热障涂层质量检验存在外观不完善、结合强度和热震性能等要求指标偏低、缺少典型显微组织图片、抗氧化性能及燃气热腐蚀性能等问题，已经不能满足涂层验收需要。其次，质量保证规定不完善。例如 HB 6738-1993 热喷涂耐磨涂层质量检验、HB 7236-1995热喷涂封严涂层质量检验和 HB 7269-1996 热喷涂热障涂层质量检验均未明确鉴定检验和质量一致性检验的分类和检验规则。此外，目前标准中普遍缺少包装、运输和质量证明书等交货准备要求和预定用途；最后，由于热喷涂涂层所用粉末、丝材等原材料对所制备涂层的性能具有十分关键的影响，也应加强对原材料验收要求的明确，制定热喷涂用原材料方面的验收标准。1.3.2 工艺标准目前现行热喷涂技术方面的工艺标准仅有 2份，存在工艺技术落后和涵盖不完全的问题，具体体现在以下几个方面：首先，工艺严重落后。HB/Z 5031-77航空发动机封严涂层涂覆工艺主要规定了涡喷发动机和涡扇发动机使用的七种封严涂层涂覆工艺的基本规则，随着涂层技术的不断发展，标准涉及的低温封严涂层在航空发动机上已很少使用，目前航空发动机主要采用铝硅/聚苯酯类可磨耗封严涂层或氧化铝类的耐磨封严涂层。其次，工艺技术和检验要求涵盖不完全。HB 20035-2011热喷涂工艺质量控制主要规13航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&QualityStandardization Research 标准化研究定了热喷涂工艺质量控制的人员、设备、材料、环境、涂层(系统)设计原则、工艺过程涂层检验及不合格涂层的处理等，但并未涵盖低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等成熟工艺；同时，部分指标要求偏高，如过渡区的控制0-3mm，针对热喷涂涂层过渡区可以适情借鉴转包经验，提高过渡区控制的合理性和可实施性。另外，随着 HB 20195-2014热喷涂涂层金相检验的发布和实施，涂层金相组织的试样制备和检验也建议按照此标准进行细化和完善。1.3.3 专用检测标准现行涂层检测标准普遍标龄过长，基本在30 年左右，最新的标准标龄也已有 18 年，现行标准未能纳入新的检测技术或检测用材料，也未明确对新型检测技术的适用性等，具体表现在以下三个方面：首先，新的检测技术急需纳入。例如 HB 5486-1991热喷涂涂层硬度试验方法发布时间已超过 25 年，标准中并未涵盖涂层布氏硬度测试方法，同时对试样材料、制备方法、涂层厚度和表面粗糙度的要求不合理，也并未纳入新型硬度计及试验参数等。其次，新的检测用材料及设备要求急需纳入。例如 HB 5476-1991 只规定了液态环氧树脂粘结剂，未纳入新型固态粘结剂，如 FM-1000 胶等新型粘结材料。试样要求也不能满足新型涂层的测试需要。HB 5474-1991热喷涂涂层剪切强度试验方法发布时间已经超过 26 年，随着测试设备的发展和试样加工精度的提高，相关要求有必要进行相应的更新，同时新型胶粘剂的应用方法也需要补充到标准中。最后，对新型技术的适用性有待明确。例如HB 5474-1991热喷涂涂层剪切强度试验方法发布时间已经超过 26 年，受限于当时的技术条件，并未明确对超音速火焰喷涂技术、冷喷涂技术等热喷涂技术的适用性。HB 5258-2000高温合金及高温防护涂层的抗氧化性能测定方法不能完全满足当前高温合金及其防护涂层测试的需要，具体表现在试验方法种类不能满足考核热障涂层结合力的要求、试样对于高温防护涂层不完全适用、部分计算公式不能满足对长寿命高温防护涂层性能测定的要求、增重法评级标准难以满足准确度更高的评级要求等。此外，在标准的使用中发现部分条款也不够完善，例如重量损失法中清除氧化皮的规范未对材料的要求进行明确、加热炉及控制系统的部分规定有待进行相应的调整和完善等。HB 7740-2004燃气热腐蚀试验方法存在熔融碱电解法清除腐蚀产物不适用于热障涂层、试样对高温防护涂层不完全适用、燃油和化学药品需要更新等问题。1.4 标准采用情况概述由于热喷涂技术标准数量少，且制修订进度严重滞后，航空行业及以上热喷涂技术标准存在采标率较低以及某些领域无标可用的问题，而在型号产品研制生产中大量采用型号标准、企业标准、技术协议或其他技术文件。通过调研发现目前热喷涂技术方面的型号标准和企业标准普遍存在技术要求不统一、不协调等问题，而且部分标准的质量也无法得到有效保障，给航空装备的质量稳定性和可靠性带来潜在风险。此外，该情况还影响了标准技术牵引作用的发挥，不利于先进技术在型号研制生产中的推广应用。2航空行业热喷涂技术标准初步发展设想通过对航空行业热喷涂技术发展现状和行业及以上标准发展现状的分析可以看出，目前热喷涂技术标准仍需加强顶层策划，分批分类地开展标准的制修订工作。2.1 加强顶层策划，合理规划标准层级考虑到航空零部件服役条件的特殊性，建议热喷涂验收标准和工艺标准以航空行业标准为主。对于多个行业通用的热喷涂验收标准，当技术要求具备统一的条件时，适情形成国家标准或国家军用标准。以国家军用标准 树脂基复合材料用喷涂金属涂层规范为例，树脂基复合材料用热喷涂金属涂层在航空航天领域均具有广泛应用，且技术指标要求相近，因此根据通用化、系列化的原则形成了国家军用标准。对于热喷涂检测方法标准，由于其一定的通用性，建议秉承军民通用化原则，检测方法标准以国家标准为主，除有行业特色外，原则上不建议制定航空行业标准。2.2 按需开展工作，优先制修订验收标准目前，热喷涂技术标准仅有 15 份行业标准14航空标准化与质量/2023-01Aeronautic Standardization&Quality标准化研究 Standardization Research发布，标准修订工作量不大，相比之下新型热喷涂技术的纳标需求更为迫切，建议根据需求的迫切性分类分批开展相关热喷涂技术标准的制定工作。目前仅有 1 份新型热喷涂涂层的航空行业标准，航空行业内可普遍执行的标准严重缺乏，因此建