1.背景需求

  当前，军用直升机或运输机在执行任务时，经常会在沙漠、战场前线等恶劣环境中起飞和降落。这些场合的空气成分十分复杂，含有大量的砂尘等颗粒物质，它们随空气被吸入发动机后，就会给发动机的可靠性和安全性等带来恶劣影响。

飞机在沙漠中起降

  而发动机作为飞机推进系统的核心部件，为飞机提供飞行所需的动力，一旦不能正常工作，将会给飞行带来非常严重的后果。在结构上，航空发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮以及尾喷管等组成。在工作过程中，压气机风扇从进气口中吸入空气，并对空气进行逐级压缩，以使其更好地与燃油混合，最后燃烧膨胀向后喷出，其反作用力就会推动飞机向前。

  在沙漠等恶劣环境中，空气中含有大量的尘埃和沙粒，这些颗粒物质在高速气流的作用下被吸入发动机到中，在流过零件表面时，其尖锐部分就会与零件表面发生碰撞和摩擦，由此对零件表面造成渐进性磨损，这就是冲蚀现象，这个过程有点类似于自然界中的风力侵蚀。风洞试验表明，直径大于30μm的砂粒能对叶片造成明显的冲蚀磨损，大颗粒甚至能使叶片变形。虽然这些颗粒物质的体积很小，但不要小看它们所带来的危害，正所谓“千里之堤，溃于蚁穴”，它们对于发动机的影响不可小觑。

  面对兵强马壮、汹涌而来的滚滚砂尘，弱小民族的叶片们毫无招架之力。砂尘颗粒的冲击和磨损作用将会对压气机叶片造成严重的冲蚀，尤其是近年来开始使用的比强度高、综合性能好的钛合金叶片，耐冲蚀性能很差，更需要解决其冲蚀磨损问题。否则，发动机的寿命将会受到严重影响。统计资料表明，飞机在普通环境中飞行时，发动机的寿命可以达到2000h，但在沙尘环境中飞行时，在没有抗冲蚀涂层的情况下，寿命仅能持续100h。一旦发动机吸入沙尘，沙尘便开始划磨材料，并慢慢冲蚀叶片。另外，雨水等腐蚀性液体也会加速冲蚀，反之冲蚀又加速腐蚀，以“多米诺效应”对发动机进行侵蚀，将会导致灾难性后果。

  2.冲蚀机理

  砂尘颗粒对零件表面的冲蚀损伤机理如图10所示，可以看出，冲蚀造成的损伤程度随着砂尘颗粒冲击角度的不同会存在较大差异。小攻角（或小角度）冲蚀时，砂尘在材料表面形成犁沟效应，磨损机制以微切削为主；而大攻角（接近垂直冲击）冲蚀下，冲击产生的微裂纹或者损伤会成为疲劳源，失效机制多以疲劳破坏为主。

  在实际的冲蚀过程中，大量砂尘颗粒呈现为无序的运动状态，在这种情况下将出现多种冲蚀失效机理相互耦合的现象，十分复杂。

  因此，必须采取措施来减少发动机叶片的冲蚀磨损。虽然可以采用在进气道前端安装防尘装置、更换叶片材料以及优化叶片型面设计等方法，但仍不能有效地解决叶片的砂尘冲蚀问题。那么，接下来，今天的主人公——“抗冲蚀涂层技术”就要隆重登场啦~有了它，就能让发动机“刀枪不入，百毒不侵”了~

  3.抗冲蚀涂层技术的定义

  抗冲蚀涂层技术是提高压气机叶片抗冲蚀性能的有效手段。具体说来，就是在叶片表面沉积一层抗冲蚀性能好的涂层，这样就可以降低砂尘对叶片的冲蚀磨损量，与此同时，也减少了颗粒冲击在材料表面形成的应力集中，进而降低疲劳源产生的可能性。

物理气相沉积的基本原理

  抗冲蚀涂层常用的制备技术是物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD），其基于等离子体技术，具有结合强度高、沉积温度低、涂层制备材料丰富以及镀层多层化等特点，已经成为极具发展潜力的涂层制备技术。

  相比于其他方法，抗冲蚀涂层技术更便于实施，可以在发动机叶片进行大修时，对损伤叶片修复后增加涂层镀覆工艺，或在新出厂发动机压气机叶片上直接镀覆涂层。可以看出，抗冲蚀涂层技术具有相当大的优势。

  4.国外研究现状

  对抗冲蚀涂层技术的需求由来已久。在海湾战争中，美军直升机的发动机由于砂粒冲蚀的破坏，寿命仅为一般无冲蚀环境下发动机寿命的1/8。在阿富汗战争中，俄军装备的米-17直升机在砂尘环境中使用，曾发生多起压气机叶片裂纹、断裂故障，导致发动机使用寿命大幅缩短，危害了飞行安全。

  因此，美、俄等国对砂尘冲蚀问题十分重视，迅速与美国GE 公司、加拿大MDS公司、Liburdi公司以及俄罗斯PRAD 公司开展合作，从材料体系、制备技术与工艺、试验考核等方面开展研究工作，现已将该技术成功用于几十个发动机型号。

  目前，国外主要将二元抗冲蚀涂层用于航空发动机上，如法国幻影战机一、二级压气机叶片使用TiN涂层，前苏联也使用TiN、CrC、ZrN涂层叶片，尤其将TiN涂层应用于米-24、米-28直升的发动擎螺旋桨及压气机转子叶片上。美国则将TiN涂层用于CH-46E海上骑士运输直升机的引擎螺旋桨叶片，使叶片寿命提高了3~4倍，英国也通过研究将冲蚀涂层用在“山猫”直升机压气机叶片上。

ER−7涂层降低叶片弦长和厚度的损失量

  MDS-PRAD、GE公司进一步改进抗冲蚀涂层，并将成分分别为TiN和TiAlN的ER-7和BlackGold陶瓷涂层用在直升机和运输机发动机上。ER?7涂层是其主要成份为TiN，采用软层与硬层交替使用的多层结构，最外层是坚硬、致密的镍基金属，在基体金属和涂层之间设置有过渡层，看起来就像个“超级三明治”。该涂层同时具有较强的抗疲劳裂纹扩展能力和多角度的冲击能力。ER-7涂层具有更好的断裂韧性和抗冲击性能，目前已在涡轴和涡扇发动机上得到广泛使用。BlackGold涂层是在ER?7基础上发展起来的新型纳米涂层，除了具备较强的抗冲击磨损性能外，还具有较强的耐蚀性能，该涂层每年为美军节省维修、换件和燃油经费约1 亿美元。同时，国外科研人员也开展了多层涂层结构设计优化的研究，采用物理气相沉积方法，将设计的2层、8层和32层等多种涂层结构的氮化钛/钛涂层制备于航空发动机叶片常用AM355 材料和钛合金表面，并采用玻璃、石英、氧化铝作为砂尘对涂层的冲蚀性能开展试验研究，其中2层和32层结构的涂层分别对氧化铝颗粒和玻璃颗粒的冲击具有较好的防护效果。