劉振波，宣海軍，沈 婕，張 娜，黎曉宇

（1.浙江大學(xué)工學(xué)部高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，杭州310027；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層[1]在高溫高速氣流環(huán)境下工作，要求具有極高的綜合性能。除高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、結(jié)合強(qiáng)度、抗沖蝕、抗熱震以外，可磨耗性也是封嚴(yán)涂層所具有的1種典型性能[2]，即封嚴(yán)涂層與高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生刮擦?xí)r應(yīng)能承受全部的磨耗磨損，而轉(zhuǎn)動(dòng)部件不發(fā)生或只發(fā)生可容忍的損傷[3]。封嚴(yán)結(jié)構(gòu)動(dòng)靜配副材料之間的刮削現(xiàn)象可以歸納為復(fù)雜、極端工況下固-固摩擦學(xué)問(wèn)題[4]，但目前尚未形成完整理論，封嚴(yán)涂層可磨耗性研究主要依靠試驗(yàn)技術(shù)。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，針對(duì)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封以及可磨耗封嚴(yán)涂層材料的研究衍生出多種試驗(yàn)方法：如早期的硬度法和硬度劃痕法[5]、銷-盤滑動(dòng)磨損法和車削法，后期的單擺沖擊試驗(yàn)法[6-7]和高速?zèng)_擊刮削法[8]等。這些方法的不足使試驗(yàn)與實(shí)際工況下的高速刮擦磨損行為存在很大差距。研究表明，當(dāng)刮削線速度超過(guò)100m/s時(shí)，封嚴(yán)涂層磨耗機(jī)理會(huì)發(fā)生較大轉(zhuǎn)變[9]；此外發(fā)動(dòng)機(jī)中封嚴(yán)配副以微量刮削的方式發(fā)生多次刮擦的情況，上述試驗(yàn)方法和設(shè)備均不能有效模擬。為此，瑞士Sulzer公司[10]等專門研制了用于封嚴(yán)配副高速高溫工況下可磨耗性能試驗(yàn)的設(shè)備。但中國(guó)對(duì)于封嚴(yán)材料可磨耗性能的大部分研究仍然局限于低速銷-盤磨損試驗(yàn)及單擺沖擊刮削試驗(yàn)等。

本文介紹了1套自行研制的能夠模擬高速高溫碰摩工況的封嚴(yán)涂層可磨耗試驗(yàn)機(jī)的性能和研制情況。

1 磨耗試驗(yàn)技術(shù)要求

研究表明，影響封嚴(yán)涂層可磨耗性的主要因素按照重要程度從高到低依次為：進(jìn)給速率、刮削線速度、葉尖厚度、進(jìn)給深度、磨耗密度[11]。磨耗試驗(yàn)技術(shù)要求試驗(yàn)機(jī)能夠模擬葉片與封嚴(yán)涂層的高速刮削，摩擦副形式應(yīng)盡可能與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)一致，高速轉(zhuǎn)子應(yīng)具有足夠的徑向支撐剛度以減小徑向振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，葉片與涂層之間的徑向相對(duì)進(jìn)給可以通過(guò)控制封嚴(yán)涂層試樣實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，葉片寬度對(duì)封嚴(yán)涂層的磨削機(jī)理沒(méi)有明顯影響，美國(guó)NASA、PWA及瑞士Sulzer等均采用小尺寸模擬葉片，以降低試驗(yàn)費(fèi)用。

國(guó)內(nèi)外典型磨耗試驗(yàn)設(shè)備的性能參數(shù)見(jiàn)表1?？紤]到中國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層研制的實(shí)際需求，確定本文研制的磨耗試驗(yàn)機(jī)的性能指標(biāo)：試樣進(jìn)給速率為5~2000μm/s，葉尖最高線速度為300m/s，葉尖厚度為0.5~2.0mm，模擬葉片寬度為10~20mm，試樣加熱溫度為室溫~800℃，進(jìn)給深度為0.1~3.0mm。

表1 國(guó)內(nèi)外典型磨耗試驗(yàn)設(shè)備性能參數(shù)

2 試驗(yàn)機(jī)組成及工作原理

封嚴(yán)涂層高溫高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)的工作原理如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)由高速旋轉(zhuǎn)部件、進(jìn)給平臺(tái)、高溫加熱器、測(cè)控元器件等組成。模擬葉片安裝在高速旋轉(zhuǎn)的輪盤上，通過(guò)涂層試樣的徑向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)葉片與涂層的碰摩，利用高速火焰加熱涂層試樣。在一定葉尖線速度時(shí)，通過(guò)調(diào)整試樣進(jìn)給速率保證葉片單次刮削量[12]。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)葉尖速度、主軸振動(dòng)、試樣加熱溫度、進(jìn)給速率、進(jìn)給深度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控。在加熱及磨耗過(guò)程中使用非接觸式紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)涂層試樣表面溫度。利用3向測(cè)力儀測(cè)量磨耗過(guò)程中切向、徑向的瞬態(tài)刮削力。

圖1 可磨耗試驗(yàn)機(jī)工作原理

3 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3.1 葉尖線速度

試驗(yàn)器設(shè)計(jì)的最大葉尖半徑為250mm，為達(dá)到300m/s的葉尖速度，輪盤的轉(zhuǎn)速需達(dá)到11460r/min。比較國(guó)內(nèi)外磨耗試驗(yàn)器驅(qū)動(dòng)輪盤高速旋轉(zhuǎn)的方法：Sulzer使用2MW 電機(jī)經(jīng)高速齒輪箱驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)轉(zhuǎn)子，具有功率大、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，但制造費(fèi)用極高；NASA、ALSTOM[13]、Sheffield大學(xué)以及中科院金屬所等采用高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)，但功率有限，價(jià)格昂貴。

實(shí)驗(yàn)室結(jié)合自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將主軸設(shè)計(jì)成懸臂柔性轉(zhuǎn)子，以直流電機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)高速皮帶增速，采用擠壓油膜阻尼器實(shí)現(xiàn)主軸減振[14]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。阻尼器能夠有效抑制振動(dòng)，使高速轉(zhuǎn)子順利跨越臨界轉(zhuǎn)速。

圖2 高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

3.2 模擬葉片安裝

模擬葉片及其安裝方式的設(shè)計(jì)是在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，需方便拆裝，并盡可能地減輕空氣阻力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的葉片與輪盤的連接方式為榫槽結(jié)構(gòu)，Sulzer、PWA等的磨耗試驗(yàn)器即采用該方式。但榫槽結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，加工成本比較高。因此，本文采用的銷釘連接方式如圖3所示。葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力載荷主要由銷釘剪切面承受，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造容易、安裝拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 模擬葉片夾持方式

3.3 試樣高溫加熱

Sulzer采用氧氣-丙烷火焰加熱，試樣溫度可達(dá)1100℃，加拿大NRC采用試樣基板背面電阻絲加熱[15]，中科院金屬所采用激光泵浦對(duì)試樣正面進(jìn)行輻照加熱[16]。

本文采用高速高溫氧氣-乙炔火焰直接加熱涂層試樣及基板，如圖4所示。通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣和乙炔的流量控制火焰燃燒強(qiáng)度，調(diào)整火焰與試樣基板之間的距離，配合遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的準(zhǔn)確控制。

圖4 試樣加熱系統(tǒng)

3.4 試樣徑向進(jìn)給

為精確控制試樣進(jìn)給速率和深度，采用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，通過(guò)大速比精密行星齒輪減速器驅(qū)動(dòng)微米級(jí)高精密平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。采用PLC專用位置控制模塊、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與高精度光柵尺完成對(duì)試樣進(jìn)給速率和進(jìn)給深度的閉環(huán)反饋控制。進(jìn)給平臺(tái)的伺服電機(jī)、減速器參數(shù)與進(jìn)給速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2，試驗(yàn)器最終實(shí)現(xiàn)了1.5~2025μm/s進(jìn)給速率的準(zhǔn)確控制。

表2 試樣進(jìn)給速率與系統(tǒng)配置關(guān)系

3.5 刮擦力測(cè)量

選用國(guó)產(chǎn)壓電式3向測(cè)力儀測(cè)量徑向和切向動(dòng)態(tài)變化磨削力，量程為Fx,max=1000N，F(xiàn)z,max=2000N。測(cè)量原理如圖5所示。3向測(cè)力儀作為測(cè)力系統(tǒng)的核心傳感器部件，與封嚴(yán)涂層試樣、工裝、隔熱冷卻器等部件共同組成“試樣及附件-測(cè)力儀-基礎(chǔ)”振動(dòng)系統(tǒng)[17]，在葉尖與封嚴(yán)涂層刮擦瞬間，產(chǎn)生切向和徑向2個(gè)脈沖激勵(lì)力[18]，引起測(cè)力平臺(tái)的振動(dòng)，壓電石英晶體產(chǎn)生與激勵(lì)力大小相對(duì)應(yīng)的電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大器放大后輸出電壓信號(hào)，由高速數(shù)據(jù)采集卡采集存儲(chǔ)到工控機(jī)中。

圖5 振動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)原理

4 功能測(cè)試

試驗(yàn)器完成安裝和部件功能測(cè)試后，進(jìn)行封嚴(yán)涂層高溫高速磨耗試驗(yàn)功能的實(shí)測(cè)。結(jié)果表明：葉尖速度控制精度在0.1%以內(nèi)；試樣進(jìn)給速率500μm/s時(shí)誤差在0.1%以內(nèi)，試樣進(jìn)給速率降到5μm/s時(shí)誤差控制在4%以內(nèi)；涂層試樣加熱溫度可控制在800℃±10℃；徑向和切向刮削力能夠被完整地記錄；試驗(yàn)機(jī)完全能滿足封嚴(yán)涂層可磨耗性能測(cè)試的要求。

在試驗(yàn)過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速與試樣加熱溫度的控制曲線如圖6所示。圖中藍(lán)色水平線為設(shè)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，草綠色水平線為設(shè)定的加熱溫度，黑色曲線表示轉(zhuǎn)速變化，藍(lán)綠色曲線表示加熱溫度變化，最下方的紅色曲線表示振動(dòng)變化。輪盤開始升速后，點(diǎn)燃氧氣-乙炔火焰開始加熱涂層試樣，在輪盤達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，適當(dāng)微調(diào)火焰將試樣溫度控制在目標(biāo)范圍內(nèi)，然后啟動(dòng)試樣進(jìn)給平臺(tái)完成1次磨耗過(guò)程。從圖6中可見(jiàn)，在葉片與涂層試樣磨耗過(guò)程中，涂層表面溫度發(fā)生明顯變化。

圖6 轉(zhuǎn)速與溫度控制曲線

在試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)給速率的控制曲線如圖7所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值并穩(wěn)定后，徑向進(jìn)給系統(tǒng)開始啟動(dòng)，開始階段以較快的速率徑向進(jìn)給，涂層試樣接近旋轉(zhuǎn)的葉片葉尖位置時(shí)按照設(shè)定的進(jìn)給速率慢速進(jìn)給，直至進(jìn)給深度達(dá)到目標(biāo)值，然后進(jìn)給平臺(tái)反向快速退出。從圖7中可見(jiàn)，進(jìn)給速率比較穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有波動(dòng)。

圖7 進(jìn)給速率控制曲線

在磨耗過(guò)程中，完整的磨削力和單次磨削力的測(cè)量數(shù)據(jù)如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，磨削作用力是1次明顯的瞬態(tài)沖擊振動(dòng)衰減過(guò)程。

1組封嚴(yán)涂層與GH4169合金葉片磨耗試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。實(shí)現(xiàn)了不同葉尖速度、不同試樣加熱溫度和不同進(jìn)給速率的試驗(yàn)。

圖8 磨削力變化過(guò)程

圖9 封嚴(yán)涂層磨耗試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）試驗(yàn)機(jī)能夠完成葉尖切線速度范圍為0~300 m/s、試樣進(jìn)給速率為1.5~2025μm/s、試樣加熱溫度范圍為室溫~800℃的模擬工況條件下的封嚴(yán)涂層磨耗試驗(yàn)。

（2）輪盤增速方案、模擬葉片安裝方法、試樣加熱和微動(dòng)進(jìn)給裝置、刮削力測(cè)量方法等都是切實(shí)可行的。

（3）通過(guò)更換封嚴(yán)配副的材料或結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)器可推廣應(yīng)用于蜂窩、篦齒等封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的磨耗性能試驗(yàn)，以及“鈦火”試驗(yàn)，并且可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于高速碰摩轉(zhuǎn)子耦合動(dòng)力學(xué)特性研究領(lǐng)域。并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)機(jī)動(dòng)力和輔件適當(dāng)改進(jìn)，可進(jìn)一步將葉尖速度提高至500m/s，試樣加熱溫度提高至1200℃。

葉片刮削碰摩式磨耗試驗(yàn)技術(shù)必將在各種封嚴(yán)材料可磨耗性能研究方面得到廣泛應(yīng)用，并為中國(guó)先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

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