[发明专利]航空发动机燃油喷嘴表面抗结焦氮化硼涂层技术

说明书

航空发动机在运行状态下，航空燃油流经热部件，温度升高，容易在发动机喷嘴表面金属催化下氧化结焦形成积碳，影响航空发动机使用寿命，严重时甚至会造成航空事故，此外，结焦产生后的除焦过程也面临时间人力成本高昂的问题，本发明为一种应用于航空发动机喷嘴领域金属材料结焦防护涂层技术，具体为一种氮化硼抗结焦涂层及其化学气相沉积制备方法，通过氮化硼涂层可以降低合金材料中金属元素起到的催化结焦作用，实现结焦抑制的目的，同时本工艺具有工艺简单、结焦抑制明显、易于结焦物理清除等优点。

技术领域

本发明属于航空发动机碳氢燃料结焦抑制领域，涉及一种发动机喷嘴金属表面等离子体辅助化学气相沉积制备BN抗结焦涂层的工艺方法。

背景技术

在航空发动机工作环境下，航空燃油从油箱输送至燃烧室内进行组织燃烧的过程中，会流经多个热部件，如油泵、换热器、滑油冷却器等，燃油在输送过程中将会吸收大量热量导致温度升高，研究表明当燃油被加热到一定温度时，氧和金属的催化作用下经过经过氧化、热解、裂化、脱氢、焦化和聚合等一系列反应所生成结焦积碳最终沉积在部件的壁面上，结焦积碳的产生会增加喷嘴部件的热阻、流阻，降低喷嘴雾化质量，减少喷嘴及下游部件使用寿命，更严重时会直接导致航空事故的产生，对飞行器的飞行安全构成严重的威胁。

目前解决手段分为物理清焦和化学除焦。其中，物理清焦包括返厂维修、气液吹扫等，此类工艺运行成本高且易对发动机动力和封闭性能造成影响，甚至引发空中停车事故。化学除焦包括燃油添加剂和表面改性两种手段，燃油添加剂往往带来燃油组分不稳定进而干扰发动机稳定运行的问题，表面改性则是通过在金属表面加工惰性涂层，屏蔽金属催化结焦作用并减少焦炭清除难度。目前上述的一些手段已在航空发动机喷嘴表面防护中应用,但燃烧室壁面结焦和喷嘴结焦堵塞现象仍有发生，因此业界仍在寻找一种工艺,成功的减少或消除结焦并改善现有技术的不足。

BN涂层具有优异的抗氧化性、抗热震性、化学稳定性以及可机械加工的性能，目前已经广泛应用于火箭发动机燃烧室、喷管、航空发动机矢量喷管调节片、液体火箭燃气舵、导弹头锥、端头帽等部件的陶瓷基复合材料制备当中。同时，通过化学气相沉积法(CVD)制备的BN涂层具有很强的致密性，可以对基底实现很好的保护，因此可采用PECVD制备BN涂层并应用到航空发动机喷嘴防结焦领域。

发明内容

鉴于目前在航空发动机燃油喷嘴结焦抑制领域存在的问题，本发明专利利用等离子体辅助化学气相沉积法直接在需进行结焦防护的基底表面生长BN抗结焦涂层。该发明对于提升航空发动机热部件结焦抑制能力，提升发动机喷嘴等热部件的使用稳定性和使用寿命具有重要意义。

为实现上述目标，本发明采用的工艺方案为：一种直接在航空发动机燃油喷嘴金属表面通过等离子体化学气相沉积法生长BN抗结焦涂层的工艺，工艺设备主要包括反应沉积区加热装置，气氛压力调节装置，反应前驱物供给装置和等离子体辅助装置。

所述的直接在耐高温金属表面生长BN抗结焦涂层的工艺，其特征在于，制备BN抗结焦涂层的具体过程为：(1)将需制备涂层的样件进行除油、除锈预处理(2)处理后样件放入反应沉积装置内，通过真空系统使反应腔室内空气尽量排除，通过进气口通入一定流量的载气(3)利用载气流量控制反应腔室内压力在实验需要的值(4)打开加热装置，设定沉积反应所需要的温度和保持时间，反应沉积区升温(5)反应沉积区升温至设定的温度，加热蒸发前驱物开始化学气相沉积过程，并打开等离子体发生器，设定合适的等离子体功率辅助反应(6)反应至设定时间后结束反应，按设定降温速率降温至室温。

所述的化学气相沉积过程是指将BN涂层所需元素的一种或几种气相化合物或单质作为原料，在样件表面上进行化学反应生成薄膜的方法，等离子体辅助是借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体电离，提升等离子体的化学活性，降低反应所需温度，减少能耗，若不采用等离子体辅助，也可通过常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、金属有机化合物化学气相沉积技术(MOCVD)等方法，也在本专利申请保护范围之内。