吳秀英，韓志海，趙玉良，白 宇

(1.陜西工業(yè)技術(shù)研究院，陜西 西安 710054;2.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049;3.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

在透平機(jī)械中，間隙密封的可靠性對(duì)于壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組的安全、高效運(yùn)行及節(jié)能環(huán)保具有重要意義。目前，先進(jìn)機(jī)組正在向大容量、高效率、高壓縮比，以及在特殊介質(zhì) (如工業(yè)煤氣、硫化氫、硝酸、醋酸、氫溴酸等)應(yīng)用的方向發(fā)展。在傳統(tǒng)的級(jí)間迷宮式密封技術(shù)中，高流速的腐蝕介質(zhì)及硬質(zhì)顆粒會(huì)造成密封面的磨損腐蝕，導(dǎo)致間隙變大、損耗增加及機(jī)組效率降低，嚴(yán)重時(shí)必須停機(jī)檢修，影響安全生產(chǎn)。目前改進(jìn)的方案是在軸端采用干氣密封、碳環(huán)密封或蜂窩密封等，但這些材料成本高昂，應(yīng)用受到限制，難以大范圍推廣應(yīng)用。

自上世紀(jì)80年代以來，隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提出了越來越高的要求。大推力、高效率、低油耗已成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的總體目標(biāo)。為此，應(yīng)盡量提高渦輪機(jī)進(jìn)口氣體溫度，減少轉(zhuǎn)子與靜子部件之間的間隙，提高壓縮比。當(dāng)結(jié)構(gòu)與材料已經(jīng)確定時(shí)，減少壓氣機(jī)、渦輪機(jī)葉尖與機(jī)匣之間氣隙損耗，提高間隙和軸密封技術(shù)水平，已成為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段。采用熱噴涂技術(shù)在間隙處制備可磨耗封嚴(yán)涂層由于其生產(chǎn)工藝簡便，修復(fù)和性能調(diào)整簡易，封嚴(yán)效果好，并為機(jī)匣提供絕熱保護(hù)，減少高溫、高速燃?xì)庖鸬臄_動(dòng)或喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象而得到迅速發(fā)展［1-2］。

目前用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的可磨耗封嚴(yán)涂層大致有20多種，大多由各種金屬基材料 (Al基、Cu基、Ni基、Co基等)加不同比例的各種固體潤滑劑 (如石墨、氮化硼、高分子材料等)構(gòu)成［3-5］。按使用部件的溫度區(qū)分，可分為低溫類(325℃以下)、中溫類 (325～480℃)和高溫類(480～815℃)三類。按材料組成，低溫類封嚴(yán)涂層通常由鋁基合金 (如Al-Si合金)與一定比例的自潤滑高分子材料 (如聚酯、聚酰亞銨等)組成;中溫類由鋁基合金 (Al-Si)、鎳基合金(Ni、NiCrAl等)與石墨或氮化硼組成;高溫類則由Ni基、Co基 (CoNiCrAlY)、Cu基 (CuAl-Fe，鋁青銅)合金與高溫潤滑劑 (硅藻土、氮化硼等)組成。這類涂層一個(gè)共同的特點(diǎn)就是要求涂層不能太硬 (通常可通過調(diào)整軟性固體潤滑劑的比例或涂層的孔隙率來控制表面洛氏硬度)，并具有良好的自潤滑性能。當(dāng)密封偶件的韌尖刮削封嚴(yán)涂層時(shí)的沖力和摩擦力較小，并盡可能不刮傷工件，即具有好的可磨耗性;另一方面可磨耗涂層還必須保證一定的硬度，能抵抗間隙流道中高速氣流 (通常含有一些固體粒子)的沖蝕磨損，即要求有好的抗沖性能。因此，對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層而言，其可磨耗性和抗沖性是一對(duì)重要而又互相矛盾的性能，只有針對(duì)具體工況，在材料設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、涂層性能考核評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行綜合試驗(yàn)研究，才能找出最佳點(diǎn)，保證涂層既有好的可磨耗性，又有足夠的抗沖蝕性和工作壽命。要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要從新工藝、新方法入手，研究沉積組織結(jié)構(gòu)細(xì)密的新型可磨耗封嚴(yán)涂層。

最新的超音速等離子噴涂 (Supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS)技術(shù)由于射流速度大幅提高，使得噴涂原料粒子飛行速度超過音速，比普通等離子噴涂提高1～2倍以上，從而獲得的細(xì)密柱晶片層組織的特點(diǎn)［6-8］。因此，本文采用超音速等離子沉積Ni-C及NiCr-BN可磨耗封嚴(yán)涂層，對(duì)比研究兩種涂層的結(jié)合強(qiáng)度、表面硬度及在不同沖蝕角下的沖蝕磨損性能。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

用于噴涂的兩種原料粉末均由Sulzer Metco公司生產(chǎn)，分別為Ni-C粉末及NiCr-BN粉末，兩種粉末的外觀形貌如圖1所示。

圖1 原料粉末的外觀形貌Fig.1 Appearance of raw material powder

1.2 噴涂過程

基體為2Cr13不銹鋼，試樣尺寸為40 mm×60 mm×3 mm，噴涂前采用丙酮去除試樣表面的油污、采用20目金剛砂，用無油、干燥的0.6 MPa的壓縮空氣對(duì)基體金屬表面進(jìn)行噴砂處理，以去除基體表面的氧化層及增加涂層與基體的有效結(jié)合面積、提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度。采用HEPJet-II型超音速等離子噴涂系統(tǒng)沉積涂層，具體的噴涂參數(shù)如表1所示。

表1 超音速等離子噴涂工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of supersonic atmospheric plasma spraying

1.3 結(jié)合強(qiáng)度及表面硬度

采用拉伸法測(cè)量涂層的結(jié)合強(qiáng)度，儀器為萬能材料拉伸試驗(yàn)機(jī) (Instron1196，USA)，測(cè)試過程中參照ASTM C633-79標(biāo)準(zhǔn)，所用粘接劑為固體膠膜 (FM-1000，USA)，其拉伸強(qiáng)度在60 MPa以上。此外，實(shí)驗(yàn)中按照ASTM E18標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定涂層的表面洛氏硬度。

1.4 沖蝕實(shí)驗(yàn)

沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)原理示意圖如圖2所示。其中，選用標(biāo)稱尺寸100目 (150 μm)的棕剛玉為磨料。實(shí)驗(yàn)過程中，通入一定流量及壓力的清潔壓縮空氣在加速腔中形成負(fù)壓，從腔外吸入磨料用以沖擊試板，磨料的用量可以通過入砂口調(diào)節(jié)。砂粒進(jìn)入腔體后被壓縮空氣加速后以一定角度沖擊試樣表面，引起試樣表面的沖蝕磨損，通過精度為萬分之一克的電子天平測(cè)量沖蝕前后試樣的失重量，以此評(píng)價(jià)涂層的抗沖蝕磨損性能。沖蝕角度為30°及90°，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。需要注意沖蝕磨損開始有一段跑合階段，在進(jìn)入穩(wěn)定沖蝕磨損階段后，開始記錄磨料的使用量。每次用砂量為20 g，每種涂層均測(cè)量兩片試樣，每次沖蝕后記錄平均失重，重復(fù)沖蝕五次，獲得5個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的沖蝕磨損曲線。用單位質(zhì)量磨料所對(duì)應(yīng)磨損失重量來評(píng)價(jià)試樣的耐沖蝕磨損性能。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，失重量越小，說明被測(cè)試樣品的耐沖蝕磨損性能越高。

圖2 沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.2 Principle diagram of erosion wear experiment

表2 沖蝕磨損試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of erosion wear experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

采用圖1所示的原料粉末，超音速等離子噴涂沉積涂層的剖面SEM圖像如圖3所示。從圖3可以看出，兩種涂層中的潤滑相 (石墨或BN)均勻分布在金屬連續(xù)相之中，但與Ni-C涂層相比，NiCr-BN涂層中的潤滑相尺寸更為細(xì)小。

圖3 噴涂涂層的剖面SEM圖像Fig.3 SEM images of spraying coating cross-section

涂層的結(jié)合強(qiáng)度及表面硬度如表3所示，從表3可以發(fā)現(xiàn)，NiCr-BN的結(jié)合強(qiáng)度及表面硬度均高于Ni-C涂層，這主要是由于Ni-C涂層中的石墨潤滑相較為粗大，降低了金屬連續(xù)相之間有效的結(jié)合面積，使涂層整體結(jié)合強(qiáng)度及表面硬度值下降。

表3 涂層的結(jié)合強(qiáng)度及表面硬度Tab.3 Bonding strength and surface hardness of spraying coatings

圖4所示的是兩種涂層在不同落砂量下的沖蝕磨損失重量，從該圖可以看出，兩種涂層的沖蝕失重量隨落砂量的增加而線性提高，并且無論是Ni－C涂層還是NiCr－BN涂層，當(dāng)沖蝕角度由30°增加到90°后，其沖蝕磨損失重量明顯提高。圖4中曲線的斜率反映的是涂層的相對(duì)沖蝕速率 (每克砂粒對(duì)應(yīng)下的涂層沖蝕損失量)，通過計(jì)算，兩種涂層不同沖蝕角下的相對(duì)沖蝕速率如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，Ni－C涂層在不同沖蝕角下，其相對(duì)沖蝕速率與NiCr-BN涂層相比較高。例如，30°下Ni－C涂層的相對(duì)沖蝕速率為7.81×10－4而 NiCr－BN涂層為4.21×10－4，后者為前者的54%;90°下Ni－C涂層的相對(duì)沖蝕速率為1.14×10－3而NiCr－BN涂層為5.72×10－4，后者為前者的50%。由此可見，在目前的研究范圍內(nèi)，NiCr－BN涂層的抗沖蝕性能要優(yōu)于Ni－C涂層。前期的一些研究表明，對(duì)于金屬陶瓷復(fù)合涂層在低沖蝕角度 (30°)時(shí)，涂層的沖蝕磨損主要表現(xiàn)為微觀切削，犁溝變形和微觀疲勞剝落等特征，而在高沖蝕角度(90°)時(shí)，則主要表現(xiàn)為沖蝕磨粒對(duì)涂層的錘擊效應(yīng)引起的疲勞剝落特征［9］。此外，一些研究表明，涂層沖蝕磨損較大的質(zhì)量是由粒子沖擊壓痕內(nèi)材料的低周疲勞引起的，認(rèn)為磨粒 (砂粒)對(duì)涂層的微切削和犁溝變形作用主要是由于磨粒的切向分速度引起的，而錘擊效應(yīng)則是由垂直分速度引起的［10］。微觀切削和犁溝變形對(duì)塑性材料的破壞較大，而錘擊效應(yīng)對(duì)脆性材料破壞更大。因此隨著沖蝕角度的變化，粒子對(duì)涂層的微觀切削作用和錘擊效應(yīng)的比例也會(huì)改變，涂層的沖蝕機(jī)理也隨之改變。封嚴(yán)涂層中既有塑韌性較好的金屬連續(xù)相，也有硬度較低的潤滑相，因而涂層的抗沖蝕性能取決于這兩相的共同作用。NiCr－BN涂層由于具有較高的結(jié)合強(qiáng)度及硬度，因此其抗沖蝕性能要優(yōu)于Ni－C涂層。由于超音速等離子噴涂可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)，因此完全可以對(duì)Ni－C及NiCr－BN涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以期得到抗沖蝕性能更加良好的封嚴(yán)涂層，這將是以后研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文采用超音速等離子噴涂沉積Ni－C及NiCr－BN可磨耗封嚴(yán)涂層，對(duì)比研究兩種涂層的結(jié)合強(qiáng)度、表面硬度及在不同沖蝕角下的沖蝕磨損性能，得到的主要結(jié)論如下:

(1)兩種涂層中的潤滑相 (C或BN)均勻分布在金屬連續(xù)相之中，但與Ni－C涂層相比，NiCr－BN涂層中的潤滑相尺寸更為細(xì)小;

(2)由于Ni－C涂層中的石墨潤滑相較為粗大，降低了金屬連續(xù)相之間有效的結(jié)合面積，使得NiCr－BN的結(jié)合強(qiáng)度及表面硬度均高于Ni－C涂層;

(3)30°沖蝕角下Ni－C涂層的相對(duì)沖蝕速率為7.81×10－4，而 NiCr－BN涂層為4.21×10－4，后者為前者的54%;90°沖蝕角下Ni－C涂層的相對(duì)沖蝕速率為1.14×10－3，而NiCr－BN涂層為5.72×10－4，后者為前者的50%，表明NiCr－BN涂層的抗沖蝕性能要優(yōu)于Ni－C涂層。

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