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航太新興表面處理技術發展趨勢 [趨勢新知]
種類:其他公告  發布單位:技術處  發布日期:2021-01-06 12:00
作者:陳仲宜/金屬中心

一、前言

根據2018年波音公司所發表的商用飛機市場展望指出,預測全球未來20年內將交付4.27萬架新機,產值達6.3兆美元,帶動航空系統及零組件市場龐大商機。航太工業快速發展,對產品及零組件的抗氧化、抗腐蝕、抗磨損、耐熱、抗疲勞及特殊功能等性能有著越來越高的要求。單一的材料往往無法滿足高性能航空設備的使用要求,而表面處理技術可以非常有效地彌補材料性能的不足,使其適應嚴苛的工作條件。鍍膜材料與鍍膜製備關鍵技術的掌握與創新對延長產品使用壽命、降低能源消耗、提升產品可靠性具有重要意義。時值我國政府正積極輔導廠商投入開發航太關鍵技術能量、建立航空品質系統及特殊製程認證,藉由推動航太產業聚落,共同打造臺灣航空產業優質供應鏈,並與全球航空大廠接軌,成為亞太地區航空產業重要合作夥伴。因此,本文擬探討航太設備及零組件未來應用需求之新興表面處理技術發展趨勢,作為相關業者在技術佈局的參考。

二、航太新興鍍膜技術發展動向

目前快速發展中的航空表面處理技術包括高性能熱障鍍膜(Thermal barrier coatings,TBCs)、超高溫複合材料零組件表面環境障鍍膜(Environmental barrier coatings,EBC)、高溫可磨耗密封鍍膜、WC-Co及氧化鋁鈦等耐磨鍍層、吸波及紅外隱身鍍膜等技術,鍍膜的應用大幅提高航空產品的性能、可靠性、經濟性、服役壽命及戰機的生存能力。

(一)新型高性能熱障鍍膜

熱障鍍膜通常應用於航空引擎高壓渦輪葉片表面,對葉片基體發揮隔熱防護與延壽作用,主要是由隔熱性能優良的陶瓷面層與具黏接作用的金屬底層所構成,可以避免高溫燃氣與金屬基體直接接觸,對基體形成有效保護,發揮延長引擎工作壽命、提高燃燒效率的作用,已經成為現代航空引擎高壓渦輪葉片三大關鍵製造技術之一。目前應用最廣泛的熱阻障鍍膜製備技術是大氣電漿噴塗(Air plasma spray,APS)及電子束物理氣相沉積(Electron beam physical vapor deposition,EB-PVD)技術。

(二)高溫複合材料表面環境障鍍膜

環境障鍍膜是確保複合材料構件在航空引擎中長時間服役的關鍵,主要用來抵抗環境的腐蝕,同時還兼具阻斷及癒合裂紋與空隙的作用。

(三)高溫可磨耗密封鍍膜

隨著能源危機加劇,提高引擎效率、降低油耗成為目前航空引擎的研發焦點之一。為提高引擎效率,保護葉片與機匣不受刮擦損傷,在航空發動機氣路密封的設計與開發中導入「可磨耗」密封鍍膜,以維持最小氣路間隙而提高引擎性能。高溫可磨耗密封鍍膜用於引擎渦輪氣路密封,可減小渦輪葉片葉尖與渦輪外環之間的間隙,進而減少氣體洩漏、提高引擎效率。一般設計要求在渦輪葉片與密封鍍膜發生接觸刮擦時,膜層被刮削而葉片磨損甚小,並且摩擦係數要小,以免刮擦產生的高溫造成鍍膜或葉片燒蝕開裂,因此高溫可磨耗密封鍍膜需具有一定的減摩功能。一般來說,金屬基可磨耗密封鍍膜抗氣流沖蝕性能優良,而氧化物陶瓷基可磨耗密封鍍膜抗氣流沖蝕能力相對較差,因此在材料組成及鍍膜製備工法參數控制方面必須予以高度關注,以保證鍍膜使用壽命。

(四)熱噴塗陶瓷膜代替硬鉻電鍍層

因電鍍硬鉻對環境有持久的危險性,電鍍廢液中的六價鉻更是嚴重危害人體健康,減少直至取消電鍍硬鉻工法意義重大。近年來超音速火焰噴塗(High velocity oxygen fuel或High velocity air fuel,HVOF或HVAF)WC-Co、WC-Co-Cr、Cr3C2-NiCr金屬陶瓷鍍膜、電漿噴塗Cr2O3及A12O3-TiO2氧化物陶瓷鍍膜在工業上獲得廣泛應用,全面取代電鍍硬鉻工法已是必然。

(五)奈米鍍膜

奈米材料技術是在1980年代誕生並仍快速發展的新技術,受到世界各國高度重視。物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、熱噴塗、分子束磊晶(MBE)、化學沉積、電沉積等方法是獲得奈米鍍層或薄膜的典型方法。近10年來研究人員利用PVD(包括磁控濺射、離子束濺射、射頻放電離子鍍、電漿離子鍍、EB-PVD等)在製備奈米單層膜及奈米多層膜方面獲致很多成果,如奈米Ti(N,C,CN)、(V,Al,Ti、Nb、Cr)N、SiC、β-C3N4、α-Si3N4、TiN/CrN、TiN/A1N、WC-Co鍍膜可用於飛機軸類零件耐磨防蝕;電漿噴塗奈米A1203-TiO2鍍膜已用於航空引擎氣路密封;奈米Y2O3-ZrO2鍍膜已用於渦輪葉片隔熱防護;添加石墨烯、碳奈米管複合鍍膜具有雷達隱身功能。

三、未來展望

根據日本飛機協會的調查指出,由於新興國家客戶需求強勁及貨運量增加,全球商用飛機市場的年成長率為5%。與此同時,對飛機的需求亦逐年增加,預計在未來20年內將增加約兩倍。每架飛機約由300萬個零組件所組裝而成,由此可知,為滿足此一量產需求,表面處理在航空產業應用需求不可小覷。此外,根據歐盟委員會(European commission)數據,飛機排放溫室氣體,約佔全球溫室氣體4%,目前還在持續成長中。歐盟的目標是希望到2050年,飛機每公里二氧化碳排放量減少60%、氮氧化物污染減少90%、噪音減少75%。為達成此一目標,飛機製造商勢必更積極導入新興材料及關鍵零組件,而勢必將進一步推升相對應之新興表面處理技術的需求。
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更新日期:2020-04-28

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