薛偉海，高禩洋，張佳平，2，段德莉，劉陽，李曙

（1.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；2.沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

封嚴(yán)涂層作為飛機(jī)發(fā)動機(jī)的氣路密封配副，可減小葉片與機(jī)匣的間隙，提高發(fā)動機(jī)效率，降低油耗，增加飛機(jī)的運(yùn)行安全性，在航空發(fā)動機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

封嚴(yán)涂層噴涂在機(jī)匣內(nèi)壁與葉片相對的位置，這樣設(shè)計時可以預(yù)留足夠小的間隙。當(dāng)葉片由于高速旋轉(zhuǎn)、熱膨脹、發(fā)動機(jī)速度改變引起的振動等原因發(fā)生伸長時，首先刮擦封嚴(yán)涂層，產(chǎn)生與葉尖外形相襯的磨痕，從而保持間隙最小。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，高速刮擦下封嚴(yán)涂層對葉片的磨損應(yīng)該盡量小，即不損傷葉片；同時要求刮擦產(chǎn)生的磨痕光滑，這樣有利于空氣的流動；刮擦產(chǎn)生小的磨屑，以免破壞下游部件。

自1960年起，國外就利用自行設(shè)計的刮擦試驗(yàn)機(jī)研究封嚴(yán)涂層的磨損行為，以指導(dǎo)其設(shè)計與應(yīng)用。Borel通過高速刮擦試驗(yàn)后對葉片重量和涂層磨痕粗糙度的測量，得到了AlSi-plastic和Nickel-graphite兩種封嚴(yán)涂層的磨損機(jī)制圖[4]。Ghasripoor用蘇爾壽的高速刮擦試驗(yàn)機(jī)研究了AlSi-polyester、AlSi-graphite和AlSi-hBN三種低溫段封嚴(yán)涂層高速下的磨損機(jī)制,可指導(dǎo)其應(yīng)用[5]。Bill研究了三類封嚴(yán)涂層在不同試驗(yàn)條件下的磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn)涂抹加速葉片的磨損，而低入侵率促進(jìn)涂抹[6]。Dadouche關(guān)注高速刮擦?xí)r不同溫度下封嚴(yán)涂層的刮擦機(jī)制，得出高溫下葉片磨損減輕而涂層磨痕更粗糙的結(jié)論[7]。Bounazef用高速刮擦試驗(yàn)機(jī)模擬了飛機(jī)起飛、巡航、降落等不同運(yùn)行狀態(tài)下封嚴(yán)涂層與對摩葉片的刮擦，得到了對摩體系在不同線速度與入侵率下的磨損機(jī)制[8]。以上研究極大的促進(jìn)了人們對封嚴(yán)涂層與對摩葉片高速刮擦下磨損行為的認(rèn)識，是封嚴(yán)涂層設(shè)計與應(yīng)用不可或缺的寶貴資料。

由于缺乏相應(yīng)的可模擬封嚴(yán)涂層實(shí)際應(yīng)用工況的高速刮擦試驗(yàn)機(jī)，國內(nèi)研究偏重于對封嚴(yán)涂層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析，配合硬度和常規(guī)的摩擦磨損試驗(yàn)來研究封嚴(yán)涂層的磨損行為，實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際工況相差較大，對封嚴(yán)涂層應(yīng)用的指導(dǎo)意義有限[9-10]。本課題組于2006年自行設(shè)計研發(fā)了國內(nèi)首臺高速刮擦試驗(yàn)機(jī)[11]，并開展了飛機(jī)發(fā)動機(jī)篦齒裂紋溯源分析、鋁硅聚酯涂層和鎳石墨涂層高速刮擦下磨損行為研究等工作，為飛機(jī)發(fā)動機(jī)研發(fā)制造部門提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

NiAl-BN涂層是國內(nèi)自主研發(fā)的一種用于壓氣機(jī)中的封嚴(yán)涂層，然而，目前尚未見其高速刮擦試驗(yàn)研究，這嚴(yán)重制約了其應(yīng)用。因此，本文采用高速刮擦試驗(yàn)機(jī)，研究了NiAl-BN封嚴(yán)涂層與TC4鈦合金模擬葉片這一對摩體系在高速刮擦下的磨損行為，對于NiAl-BN涂層的應(yīng)用具有工程價值，同時對于理解高速刮擦下材料的磨損行為具有理論意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

封嚴(yán)涂層選擇壓氣機(jī)中常用的NiAl-BN涂層，BN的重量百分比在25%左右，孔隙率約為20%。利用空氣等離子噴涂工藝，噴涂在不銹鋼底板上，涂層的厚度約為2mm。NiAl-BN涂層的截面形貌如圖1所示，其中白色較亮部分為金屬相，主要提供涂層所需的強(qiáng)度，灰色部分為固體潤滑相BN，起減摩和防止涂層向葉片轉(zhuǎn)移的作用，模糊的黑色區(qū)域?yàn)榭锥础Ｊ紫扔媚ゴ矊⑼繉訕悠返谋砻婺テ?，再用砂紙打磨至Ra約為6μm，放入干燥器中備用。

圖1 NiAl-BN封嚴(yán)涂層的截面形貌Fig.1 The section morphology of NiAl-BN seal coating

本試驗(yàn)中的模擬葉片樣品采用廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片的鈦合金材料，合金牌號為TC4。試驗(yàn)前葉片樣品用電火花線切割技術(shù)加工成所需的形狀，正方體樣品的端面尺寸為4mm×4mm，表面用砂紙打磨至Ra約為0.5μm，經(jīng)超聲波清洗、冷風(fēng)吹干后放入干燥器備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

高速刮擦試驗(yàn)在本研究組自主研制的高速刮擦式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[11]上進(jìn)行。試驗(yàn)時，葉片（轉(zhuǎn)動樣品）和涂層（平動樣品）分別安裝到高速轉(zhuǎn)盤和進(jìn)給系統(tǒng)的夾具上，設(shè)定入侵率、入侵深度和線速度，開機(jī)后待線速度達(dá)到設(shè)定值后進(jìn)行葉片端面入侵涂層的刮擦。本文采用的試驗(yàn)條件為：入侵率0.02mm/s，入侵深度0.4mm，線速度：30m/s、60m/s、90m/s、120m/s、150m/s。試驗(yàn)前后葉片和涂層樣品的重量用精度0.1mg的電子天平稱量。每個試驗(yàn)條件至少重復(fù)三次，失重數(shù)據(jù)取平均值。

1.3 表征分析

采用FEI INSPECT F50型掃描電鏡（SEM）觀察葉片端面的磨損形貌和涂層的磨痕形貌，并用配備的X-射線能譜儀（EDX）分析磨痕表面的元素成分。用美國KLA－ADE公司的白光干涉儀觀察葉片磨損端面的三維形貌。試驗(yàn)后用致密化因子Sd[12]表征涂層的致密化程度，Sd越大表明涂層致密化越嚴(yán)重。致密化因子計算中所用的涂層磨痕體積的測量采用文獻(xiàn)[13]中介紹的方法，利用2206B型表面粗糙度儀測定磨痕截面積。用LM247型顯微硬度計測量磨痕表面的維氏顯微硬度值，載荷為10g，保壓時間15s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 葉片與涂層的高速刮擦試驗(yàn)結(jié)果

本文的試驗(yàn)條件是入侵率和入侵深度保持不變，線速度不同。因此，不同線速度下葉片與涂層對摩的磨程不同，150m/s時的磨程是30m/s時的5倍。本文定義葉片磨損失重與磨程的比值為磨損率來表示葉片的磨損。涂層的磨損主要受刮擦?xí)r涂層致密化的影響，用涂層的實(shí)際失重來表達(dá)。

圖2 不同線速度下葉片磨損率與涂層失重Fig.2 The blade wear rate and the weight variation of the coating at different linear speed

如圖2所示，隨線速度增大，葉片的磨損率成直線下降的趨勢，說明線速度對葉片的磨損率影響顯著。涂層的失重隨線速度增大開始時是略微下降的趨勢，到150m/s時突然上升，預(yù)示著其磨損機(jī)制有所改變。

2.2 對摩體系的磨損機(jī)制

為了探究NiAl-BN封嚴(yán)涂層與TC4鈦合金模擬葉片這一對摩體系的磨損機(jī)制，分別對不同線速度刮擦后涂層和葉片的磨痕形貌進(jìn)行觀察，根據(jù)其差別分為三個階段討論。

2.1.1 線速度30m/s下刮擦的磨損機(jī)制

線速度30m/s下刮擦后涂層磨痕的表面形貌如圖3a所示，磨痕中覆蓋有大量片狀物質(zhì)，其余部分發(fā)生了涂層的剝落。片狀物質(zhì)的能譜結(jié)果圖3b顯示其含有Ti、O、Ni和Al元素，且Ti的含量較高，說明片狀物質(zhì)是高速刮擦中葉片材料向涂層發(fā)生轉(zhuǎn)移形成的。即此時涂層的磨損機(jī)制為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移，形成了轉(zhuǎn)移層[4]。從圖3c的截面照片中可見轉(zhuǎn)移層（灰色的）的厚度在10μm左右，層內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了裂紋，有即將剝落的小塊，轉(zhuǎn)移層下面緊鄰的涂層有致密化傾向，距離轉(zhuǎn)移層較遠(yuǎn)的部分則看不到這種趨勢。

圖4為線速度30m/s下刮擦后葉片端面磨痕的表面形貌和三維立體形貌。如圖4a、b所示，葉片端面磨痕中布滿犁溝，犁溝深度較大，排布密集，典型的磨粒磨損特征。這源于葉片刮擦涂層的“自沖效應(yīng)”[6]，即疏松的涂層材料被刮擦?xí)r產(chǎn)生的顆粒成為三體磨損中的磨粒，對葉片造成進(jìn)一步的磨損。

圖3 線速度30m/s刮擦后 (a)涂層磨痕表面形貌；(b)位置A處的能譜結(jié)果；(c)涂層磨痕的截面形貌Fig.3 Rubbed at 30m/s (a)the coating wear scar`s surface micrograph；(b) EDX result of position A；(c)the coating wear scar`s section micrograph

圖4 30m/s刮擦后葉片端面磨痕形貌Fig.4 Micrograph of the blade tip`s wear scar rubbed at 30m/s

2.1.2線速度90m/s下刮擦的磨損機(jī)制

如圖5所示，線速度90m/s下刮擦后涂層的磨痕形貌與30m/s時類似，同樣為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移的磨損機(jī)制。

圖5 90 m/s刮擦后涂層磨痕的表面形貌Fig.5 The coating wear scar`s surface micrograph rubbed at 90m/s

圖6所為線速度90m/s刮擦后葉片端面的磨痕形貌。如圖所示，葉片端面磨痕形貌中存在犁溝和鱗片狀塑性流動(圖6a、b)，從三維形貌圖(圖6c)上可以看出，犁溝密度與深度與30m/s時相比大大減少，此時葉片的磨損機(jī)制為犁削和塑性變形。

隨著線速度增大，單次刮削量（一次刮擦中葉片侵入涂層的量）下降，產(chǎn)生的涂層顆粒變小，對葉片的犁削作用減弱，所以90m/s時葉片的犁削磨損比30m/s時有所下降。刮擦線速度增大使摩擦熱效應(yīng)更加顯著，而TC4鈦合金的強(qiáng)度受溫度影響非常大[14]。在刮擦產(chǎn)生的瞬時高溫作用下，葉片軟化嚴(yán)重，更易發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)大量塑性流動。

圖6 線速度90m/s刮擦后葉尖磨損形貌Fig.6 SEM image of rubbed blade tip at 90m/s

2.1.3 線速度150m/s下刮擦的磨損機(jī)制

圖7所示是線速度150m/s下刮擦后涂層的磨痕形貌。如圖所示，磨損機(jī)制同樣為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移，形成了轉(zhuǎn)移層，與圖3a比較可見，轉(zhuǎn)移層的覆蓋面積大大減少。轉(zhuǎn)移層為水平層狀結(jié)構(gòu)，由葉片材料的連續(xù)涂抹而形成[4]。隨著線速度增大，刮擦次數(shù)增多，轉(zhuǎn)移層表面應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋和熱裂紋(如圖8所示)增多，等裂紋連接起來時，在葉片經(jīng)過時的震蕩作用下轉(zhuǎn)移層會發(fā)生剝落[5]。

線速度150m/s下刮擦后葉片的磨損機(jī)制與90m/s時類似，為犁削和塑性變形機(jī)制。

圖7 線速度150m/s刮擦后的涂層磨痕形貌Fig.7 SEM image of the coating wear scar at 150m/s

圖8 150m/s刮擦后涂層磨痕中的應(yīng)力裂紋與熱裂紋Fig.8 The stress crack and thermal crack in the coating wear scar rubbed at 150m/s

3 討論

在常規(guī)的摩擦磨損試驗(yàn)中，滑動線速度的增大通常伴隨著對摩副磨損率的上升，因?yàn)榫€速度增大會帶來高的表面溫度，使微凸體接觸區(qū)域的剪切更容易進(jìn)行。在本文的試驗(yàn)條件下，卻是隨線速度增大葉片的磨損率下降，這必然與本文遠(yuǎn)高于常規(guī)摩擦磨損試驗(yàn)的線速度、不同線速度下的單次刮削量不同以及特殊的對摩副材料有關(guān)。

如圖9所示，高速刮擦試驗(yàn)中測得的法向力和試驗(yàn)后測得的涂層致密化隨線速度增大而下降。入侵率一致、入侵深度固定時，線速度越小則單次切入量越大，法向力越大。前人試驗(yàn)也得到類似的結(jié)果[15]。NiAl-BN涂層具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，在高法向壓力下被壓實(shí)的更嚴(yán)重。所以隨著線速度增大，法向力減小，涂層的致密化減輕。

圖9 不同線速度下的法向力峰值Fig 9.The maximum normal force at different linear speed

如表1所示，線速度增大，磨痕表面轉(zhuǎn)移層的顯微硬度值有減小的趨勢，但均高于未磨涂層，與其他學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果一致[16]。刮擦前后涂層都發(fā)生了不同程度的致密化且形成轉(zhuǎn)移層，轉(zhuǎn)移層是又厚又硬的[4]，故硬度值較未磨涂層都有所升高(未試驗(yàn)涂層硬度值在金屬相上打點(diǎn)獲得)。

在30m/s高刮擦線速度帶來的高摩擦閃溫作用下，葉片發(fā)生軟化致被犁削，且30m/s時的刮擦力最大，所以葉片犁削磨損嚴(yán)重。30m/s時涂層的致密化嚴(yán)重，致密層較厚，造成此時葉片向涂層轉(zhuǎn)移形成的轉(zhuǎn)移層硬度最大，進(jìn)一步加劇了葉片的磨損。

隨著線速度增大，刮擦中的法向力和切向力均較小，涂層的致密化程度減輕，磨痕表面轉(zhuǎn)移層顯微硬度值減小，所以涂層對葉片的磨損減輕，葉片的磨損率下降。

表1 不同線速度試驗(yàn)后涂層磨痕表面金屬相和轉(zhuǎn)移層的顯微硬度Table 1 The Microhardness of the metal phase and transfer layer on the coating wear scar after different linear speed testing

涂層的失重受致密化和涂層剝落影響較大。致密化隨線速度增大而較小，且在150m/s時有一個明顯的轉(zhuǎn)折，下降較快；150m/s時的磨痕形貌分析也顯示此時的熱裂紋與應(yīng)力裂紋較多，涂層剝落嚴(yán)重。這兩點(diǎn)共同作用，使涂層的失重在150m/s時發(fā)生突然的躍升。

4 結(jié)論

本文采用高速刮擦試驗(yàn)機(jī)，研究了NiAl-BN封嚴(yán)涂層與TC4鈦合金模擬葉片這一對摩體系在高速刮擦下的磨損行為。得到的主要結(jié)論如下：

(1)涂層的磨損，較低線速度下為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移機(jī)制，高速下轉(zhuǎn)移層發(fā)生剝落。較低線速度時，葉片的磨損為犁削機(jī)制，隨線速度升高轉(zhuǎn)變?yōu)槔缦骱退苄宰冃螜C(jī)制；

(2)在入侵率與入侵深度固定的情況下，線速度增大則單次刮削量減小，從而葉片對涂層的刮擦力減小，涂層的致密化減輕，磨痕表面的硬度下降，葉片的磨損率下降。