張?zhí)鹛?，黃傳兵，蘭 昊，房師閣，張偉剛

（1.中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

航空發(fā)動機內(nèi)部流場存在較大的溫度和壓強梯度，需要系統(tǒng)封嚴技術(shù)提高發(fā)動機的熱工效率，目前先進航空發(fā)動機的高壓壓氣機和渦輪部位已經(jīng)開始采用連續(xù)接觸刷式封嚴結(jié)構(gòu)[1-3]。與傳統(tǒng)的篦齒封嚴、葉尖可磨耗封嚴相比，刷式封嚴結(jié)構(gòu)可大幅減少氣體泄漏量，提高轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性，并減輕發(fā)動機惰性質(zhì)量[4]。刷式封嚴的刷絲自由端在高溫燃氣環(huán)境下與轉(zhuǎn)子軸表面高速摩擦接觸，發(fā)生磨損并產(chǎn)生動能損耗。為了降低轉(zhuǎn)子軸表面與刷絲的磨損，采用熱噴涂技術(shù)在轉(zhuǎn)子軸表面制備高溫自潤滑耐磨涂層，技術(shù)上簡單可行并具有經(jīng)濟性[5]。

高溫固體潤滑涂層材料主要包括基體、耐磨材料和潤滑劑。高溫合金具有良好的高溫力學(xué)性能、抗氧化腐蝕性、與底材良好的匹配性，可以用作涂層的基體材料，常用的高溫合金主要是Ni基和Co基合金；氧化物陶瓷（Cr2O3、Al2O3和 ZrO2等）以及碳化物陶瓷（Cr3C2、SiC、WC和TiC等）為常用的耐磨材料；潤滑劑是高溫固體潤滑涂層材料設(shè)計的核心，常用的固體潤滑材料有石墨、六方氮化硼（h-BN）、金屬硫化物（MoS2、WS2）、金屬氟化物（BaF2、CaF2）、金屬氧化物（MoO3、V2O5）以及軟金屬（Ag、Au）等[6-7]。

目前，具代表性的高溫固體自潤滑涂層為美國NASA研制的PS系列熱噴涂高溫自潤滑涂層[8-11]。其中PS300系列采用NiCr合金為基體相，Cr2O3為硬質(zhì)耐磨相，Ag和BaF2·CaF2共晶為潤滑相。由于NiCr合金中Cr的氧化造成涂層在高溫下變形嚴重，后續(xù)改進型PS400系列涂層采用NiMoAl合金為基體相。PS400在25℃時的摩擦系數(shù)為0.31，在650℃時為0.22，Ag和氟化物的潤滑效果得到了很好的體現(xiàn)。但是該涂層在25℃的磨損量較大，為118×10-5mm3·N-1·m-1。中科院過程所黃傳兵等[12-15]通過化工冶金技術(shù)制備包覆型NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2復(fù)合粉體，并通過等離子噴涂、超音速噴涂和爆炸噴涂技術(shù)制備相應(yīng)的高溫耐磨自潤滑涂層。該涂層在800℃下摩擦系數(shù)為0.28，磨損量在25～800℃都保持在 10-5mm3·N-1·m-1數(shù)量級，具有優(yōu)異的耐磨性能。由于BaF2·CaF2共晶的低溫脆性，涂層在500℃下的摩擦系數(shù)較高，且發(fā)動機在服役過程中需要經(jīng)受復(fù)雜的升溫降溫過程，因此要求刷式封嚴涂層應(yīng)具有一定的寬溫域自潤滑耐磨效果。

近年來，高溫自適應(yīng)潤滑涂層材料得到廣泛的研究。所謂“自適應(yīng)”就是利用兩種或幾種潤滑劑的協(xié)同潤滑作用實現(xiàn)寬溫度范圍的潤滑耐磨效果。Hu等[16]利用磁控濺射技術(shù)制備了YSZ-Ag-Mo復(fù)合涂層，該涂層在25～700℃的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.4左右； 500℃下Ag膜起到潤滑作用；高于500℃時表面生成的氧化鉬可降低摩擦和磨損。中科院蘭化所利用等離子噴涂制備了NiCrAlYAg-Mo高溫固體潤滑涂層，并對其從室溫到800℃的摩擦磨損性能進行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂層的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.4左右，600℃以上摩擦表面生成的鉬酸銀降低了摩擦系數(shù)[17]。由于涂層中缺乏耐磨相，涂層的磨損量較大。

為了滿足航空發(fā)動機刷式封嚴涂層寬溫域自潤滑耐磨性能的要求，本文采用等離子噴涂技術(shù)制備了NiCoCrAlY-Cr2O3和NiCoCrAlYCr2O3-AgMo兩種新型復(fù)合涂層，研究了涂層在20～800℃的摩擦磨損性能，并且分析了涂層的摩擦磨損機理。

試驗及方法

采用離心噴霧造粒以及固態(tài)合金化技術(shù)制備NiCoCrAlY-Cr2O3，粉體的名義成分見表1。Ag-Mo復(fù)合粉體采用Mo粉化學(xué)鍍銀的方法制備，其中Ag/Mo的質(zhì)量比為2∶1。NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo復(fù)合粉體中Ag-Mo的質(zhì)量分數(shù)為10%。

以高溫合金GH4169（φ25mm×5mm）為噴涂基體。等離子噴涂前，對基體進行噴砂處理。采用CoNiCrAlY合金粉沉積0.1mm粘結(jié)層。涂層采用APS-2000K型等離子噴涂設(shè)備制備，噴涂參數(shù)見表2。

采用Hall流量計測量噴涂粉末的流動性和松裝密度，涂層的孔隙率采用圖像法進行分析。在WDW-100E萬能材料試驗機上采用拉伸法按GB/T 8642-2002標(biāo)準(zhǔn)測試涂層結(jié)合強度。涂層顯微硬度采用HX-1000TM型顯微硬度計測試（載荷200g，加載15s）。粉體及涂層試樣的表面和截面微觀組織結(jié)構(gòu)均采用Quanta 200FEG（美國FEI）掃描電子顯微鏡（SEM）觀察，利用背散射（BSE）探頭及X射線能譜（EDX）分析元素分布。采用X’Pert Pro（荷蘭Panalytical）X射線儀（XRD）進行物相分析。采用Via-Reflex型（英國Renishaw）顯微共聚焦拉曼光譜儀進行表面微區(qū)物相分析。

表1 NiCoCrAl-Cr2O3復(fù)合粉體成分（質(zhì)量分數(shù)） %

表2 等離子噴涂工藝參數(shù)

摩擦磨損試驗在CSM-THT型高溫摩擦磨損試驗機上進行，摩擦方式為銷盤式，測試溫度從20℃到800℃，摩擦副為高溫合金（GH4145）銷，載荷 10N，線速度 0.2m/s，時間20min。通過3D白光干涉表面形貌儀（美國ABE）測量磨痕截面積A，磨損量根據(jù)V=2πr·A計算，其中半徑r=5mm。

結(jié)果與討論

1 粉體形貌與性能

圖1為制備的等離子噴涂復(fù)合粉體的表面形貌?？梢钥闯觯琋iCoCrAlY-Cr2O3和Ag-Mo復(fù)合粉體顆粒呈類球狀，顆粒結(jié)構(gòu)致密，粒度分布均勻。其中NiCoCrAlYCr2O3粉體的粒度分布為45～75μm，Ag-Mo粉體的平均粒徑為60μm。兩種復(fù)合粉體的粒徑均符合等離子噴涂技術(shù)要求。

噴涂粉末的流動性和松裝密度對噴涂工藝和涂層質(zhì)量有重要影響。良好的流動性和較高的松裝密度可以保證噴涂送粉的穩(wěn)定性并將噴涂粉體送入等離子火焰中心充分熔化。經(jīng)試驗測得制備的NiCoCrAlY-Cr2O3復(fù)合粉體的流動性為48.5s/50g，松裝密度為1.53g/cm3；NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo復(fù)合粉體的流動性為55s/50g，松裝密度為1.50g/cm3。兩種粉體均具有良好的流動性和松裝密度，有利于獲得均勻致密的涂層組織，并保證涂層的結(jié)合強度。

2 涂層的結(jié)構(gòu)與性能

圖2是等離子噴涂NiCoCrAlYCr2O3和NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo復(fù)合涂層的截面背散射圖像。可看出涂層呈典型的熱噴涂層狀結(jié)構(gòu)，從左往右依次為基體、粘結(jié)層和面層。層與層之間結(jié)合良好，涂層無明顯的裂紋和孔隙，灰度法測得兩種涂層的孔隙率都在3%左右。如圖2（b）所示，涂層內(nèi)部灰色部分為Cr2O3相，亮灰色部分為Ni基合金相，亮色部分為Ag和Mo相。從圖3涂層的XRD分析可看出，NiCoCrAlY-Cr2O3涂層的主晶相為（Ni，Cr）合金相，Cr2O3相。NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層的晶相有（Ni，Cr）合金相，Cr2O3相以及 Ag和Mo相。兩種涂層內(nèi)均沒有其他的雜質(zhì)峰出現(xiàn)，說明涂層在噴涂過程中物相沒有出現(xiàn)明顯的氧化和分解。

拉伸試驗結(jié)果表明，NiCoCrAlYCr2O3涂層的結(jié)合強度約為（35±5）MPa，NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層的結(jié)合強度約為（42±2）MPa，兩種涂層的斷裂都發(fā)生在涂層內(nèi)部，因此涂層與基體的結(jié)合強度要遠大于這個數(shù)值。從試驗數(shù)值可看出，NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層的內(nèi)聚強度要大于NiCoCrAlY-Cr2O3涂層的內(nèi)聚強度。這是由于Ag具有較低的熔點（960℃），在等離子噴涂過程中能夠充分熔化，熔化的Ag在涂層各相間起到粘結(jié)劑的作用，使層間顆粒結(jié)合更加緊密，從而提高涂層內(nèi)聚強度。

涂層硬度是影響涂層耐磨性能的重要因素之一。一般來說，材料的耐磨性與硬度成正比。涂層的顯微硬度測試表明，NiCoCrAlY-Cr2O3和NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層的顯微硬度分別為650HV0.2以及600HV0.2，較高的硬度保證了涂層的耐磨性。

圖1 等離子噴涂復(fù)合粉體表面SEM形貌Fig.1 SEM morphologies of APS sprayed composite powders

圖2 等離子噴涂復(fù)合涂層截面背散射圖像Fig.2 Cross-sectional backscatter electron micrographs of the composite coatings

圖3 等離子噴涂復(fù)合涂層XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of the as-sprayed composite coatings

3 涂層的摩擦磨損性能

圖4是在不同溫度條件下NiCoCrAlY-Cr2O3和NiCoCrAlYCr2O3-AgMo涂層摩擦系數(shù)和磨損量的變化曲線。從圖4（a）可看出從20～800℃，NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層的摩擦系數(shù)都低于NiCoCrAlYCr2O3涂層，尤其是在400℃以上溫度范圍內(nèi)； 20℃下，兩種涂層的摩擦系數(shù)約為0.7和0.8，隨著溫度的升高，兩種涂層的摩擦系數(shù)都呈下降趨勢。NiCoCrAlY-Cr2O3涂層的摩擦系數(shù)在800℃時降低到0.3左右。而NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層的摩擦系數(shù)在400℃時急劇下降至0.23左右，摩擦系數(shù)發(fā)生較大改變，此后隨著溫度升高到800℃，涂層的摩擦系數(shù)一直保持0.23左右。

圖4 涂層從20℃到800℃的摩擦系數(shù)和磨損量Fig.4 Friction coefficient and wear rate of the composite coatings from 20℃ to 800℃

從圖4（b） 可以看 出，NiCoCrAlY-Cr2O3和NiCoCrAlYCr2O3-AgMo涂層在整個測試溫度范圍內(nèi)摩損量都保持在10-5mm3·N-1·m-1數(shù)量級，說明兩種涂層都具有較好的耐磨性能。涂層在20℃和200℃時磨損量較低，溫度升高到400℃時磨損量上升較快，分別達到6.5×10-5mm3·N-1·m-1以及 9.5×10-5mm3·N-1·m-1。這可能是由于隨著溫度的升高，涂層硬度降低，涂層的基體材料鎳基合金塑性變形嚴重，由于表面缺少有效的潤滑劑，當(dāng)受到反復(fù)的剪切力作用時，會發(fā)生擠壓變形以及切削磨損，增加了涂層的磨損量。當(dāng)溫度上升到600℃時，涂層的磨損量又急劇下降，低于20℃的磨損量。在800℃時兩種涂層的磨損量低至10-6mm3·N-1·m-1數(shù)量級。說明高溫下表面形成的高溫潤滑相在摩擦過程中對涂層起到了保護作用。

4 摩擦機理分析

圖 5是 20℃、400℃ 和800℃時NiCoCrAlY-Cr2O3和NiCoCrAlYCr2O3-AgMo涂層的磨痕形貌。20℃下，兩種涂層表面粗糙，存在很多凹坑和磨屑，呈典型的脆性斷裂和磨粒磨損特征。這是由于低溫下表面尚未形成潤滑膜，在摩擦剪切力的作用下，涂層表面的氣孔和微裂紋等缺陷逐漸擴展和斷裂，形成磨屑。形成的磨屑不能夠及時排出而停留在摩擦軌道上造成磨粒磨損。

隨著溫度升高到400℃，涂層表面變得光滑，呈現(xiàn)出沿滑動方向的磨痕條紋和凹坑。磨損機制為輕微的塑性變形和微切削。從圖4（a）的結(jié)果可看出，NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層在400℃時摩擦系數(shù)僅為0.23，大大低于 NiCoCrAlY-Cr2O3涂層的摩擦系數(shù)。因此為了進一步探究涂層在400℃的潤滑耐磨機理，對摩擦副GH4145銷摩擦表面進行觀察，如圖6所示。

圖 6（a） 為 GH4145 銷 與NiCoCrAlY-Cr2O3涂層在400℃對磨后表面形貌，摩擦表面存在凹坑以及磨屑；而與NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層對磨后的GH4145銷表面形成一層連續(xù)光滑的膜層。EDX分析表明，GH4145銷表面除了含有自身的Ni、Cr和Fe元素外，還存在Ag元素，各種元素含量如表3所示。

圖5 不同溫度下的涂層磨痕表面形貌Fig.5 Worn surface morphologies of the composite coatings at different temperatures

圖6 GH4145銷表面在400℃下與涂層對磨后形貌Fig.6 Worn surface morphologies of the counterpart GH4145 sliding against the composite coatings at 400℃

表3 400℃與NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層對磨GH4145銷表面EDX分析

摩擦副GH4145表面出現(xiàn)了Ag元素，表明在滑動摩擦過程中涂層表面的元素轉(zhuǎn)移到GH4145銷表面。作為一種軟金屬，Ag在400℃下剪切強度會比室溫時顯著降低，涂層表面的Ag在摩擦力的作用下被剪切、鋪展形成潤滑膜并部分粘附到對偶件表面，從而使得摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜與涂層之間，降低了摩擦系數(shù)。

圖5中在800℃時，NiCoCrAlYCr2O3涂層摩擦表面與20℃和400℃相比時變得光滑，生成連續(xù)鋪展的潤滑膜。EDX分析潤滑膜的主要成分為Ni、Cr和O，表明潤滑膜的成分主要為一些金屬氧化物。同時一些金屬氧化物轉(zhuǎn)移到對偶件的表面，形成了氧化物與氧化物之間的摩擦，降低了涂層的摩擦與磨損。由于高溫下金屬的塑性變形更為嚴重，因此在800℃下NiCoCrAlY-Cr2O3涂層的磨損主要是由氧化磨損和塑性變形共同造成的。對于NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層，在800℃摩擦后，表面出現(xiàn)了連續(xù)致密的潤滑膜，并且潤滑膜表面有絮狀顆粒出現(xiàn)。為了分析表面潤滑膜的組成，對涂層進行拉曼微區(qū)物相分析。圖7是NiCoCrAlYCr2O3-AgMo涂層在600℃和800℃摩擦后表面拉曼物相分析曲線。

從拉曼分析的結(jié)果可看出，在600℃和800℃摩擦后，表面都出現(xiàn)了Ag2MoO4的拉曼特征峰，因此推測NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂層在600℃和800℃優(yōu)異的潤滑性能是由摩擦表面生成的Ag2MoO4造成的。前人的研究結(jié)果[18-20]顯示，Ag2MoO4是一種低熔點層狀化合物，由于Ag-O 鍵鍵能較低（560kJ/mol），在高溫下容易被剪切而具有較低的摩擦系數(shù)。600℃時，Mo與O2反應(yīng)生成MoO3，Ag和MoO3進一步反應(yīng)生成Ag2MoO4。隨著溫度升高，摩擦表面生成大量Ag2MoO4，有效降低摩擦系數(shù)。

結(jié)論

為滿足我國先進航空發(fā)動機刷式封嚴技術(shù)對高溫固體潤滑耐磨涂層材料的需求，本文采用離心噴霧造粒、固態(tài)合金化以及化學(xué)鍍的方法制備出具有良好流動性和松裝密度的NiCoCrAlY-Cr2O3、NiCoCrAlYCr2O3-AgMo粉末，結(jié)合等離子噴涂制備相應(yīng)的固體自潤滑涂層。對涂層的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及摩擦磨損性能進行了研究。主要結(jié)論如下：

圖7 涂層摩擦表面拉曼分析Fig.7 Raman spectra of the worn surface

（1）研制的兩種新型涂層均具有較低的孔隙率、較高的顯微硬度和結(jié)合強度。

（2）NiCoCrAlY-Cr2O3涂 層 的摩擦系數(shù)從20～800℃逐漸減小，在800℃達到最低值0.3。這是由于在800℃時摩擦表面生成氧化物潤滑膜，有效降低了摩擦系數(shù)。

（3）AgMo的加入可顯著改善涂層的寬溫域潤滑性能。NiCoCrAlYCr2O3-AgMo涂 層 從 400～800℃ 的摩擦系數(shù)一直保持0.23左右，磨損量在10-5mm3·N-1·m-1數(shù)量級。摩擦機理研究表明： 400℃時，涂層與GH4145銷之間形成連續(xù)的含Ag潤滑膜。600℃以上摩擦表面生成的Ag2MoO4潤滑劑降低了涂層的摩擦和磨損。

參 考 文 獻

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