郭文勇 丁 飛 唐健江 張佳雪 韓增福 劉 明 白 宇

(1.西安陜鼓動力股份有限公司;2.西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室;3.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室)

0 引言

可磨耗封嚴涂層已被廣泛用于燃氣渦輪發(fā)動機中，一般是采用熱噴涂的方法在機匣內(nèi)表面沉積，當(dāng)葉片高速旋轉(zhuǎn)時，葉尖刮削封嚴涂層，在涂層上形成凹槽，且不損壞葉尖，這樣在葉尖與機匣之間獲得理想的最小氣流間隙，從而可以顯著提高渦輪發(fā)動機效率，降低燃料消耗[1-5]?？赡ズ姆鈬劳繉佑捎谏a(chǎn)工藝簡單、修復(fù)和性能調(diào)整簡易、封嚴效果好，同時可以為機匣提供隔熱保護，并減少了高溫、高速燃氣引起的擾動或喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象而得到迅速發(fā)展。美國航空航天局（NASA）研究表明，航空發(fā)動機各部件在使用可磨耗封嚴涂層后效率提高2%以上[6-8]。由于燃氣渦輪發(fā)動機特殊工況，使得可磨耗封嚴涂層要同時具備可磨耗與耐沖蝕兩種性能，這兩種性能相互矛盾，所以涂層的成分結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要[9]。

可磨耗封嚴涂層大多為復(fù)合材料，一般由金屬相、非金屬相與孔隙組成，常用的金屬相材料有Ni,Co,Cu、Al等；非金屬相提供減磨和自潤滑功能，如石墨、六方氮化硼、聚苯酯等；孔隙可以起到降低涂層硬度的作用[10]。由美國美科公司生產(chǎn)的METCO 307是以鎳作為基體相，石墨作為潤滑相的一種材料，在425℃以下具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能[11]。

火焰噴涂與等離子噴涂（atmospheric plasma spraying,APS）已廣泛應(yīng)用于可磨耗封嚴涂層的制備。近年來，國產(chǎn)國效能超音速等離子噴涂（supersonic plasma spraying system,SAPS）也開始向可磨耗封嚴涂層制備方向發(fā)展[2,12]。研究表明：由于噴涂粒子在超音速等離子體射流中的破碎，與傳統(tǒng)APS涂層相比，SAPS涂層組織更加細化均勻[2,13]。鑒于以上研究背景，本文通過APS與SAPS兩種工藝制備Ni-C可磨耗封嚴涂層，研究涂層中石墨相尺寸對涂層摩擦學(xué)性能的影響，以期為高性能封嚴涂層的制備提供新思路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

基體材料為2Cr13不銹鋼，Ni-C封嚴涂層成分為25wt.%石墨與75wt.%鎳（METCO307,OerlikonCorporate），在基體與涂層之間沉積NiCr合金粘結(jié)層。摩擦磨損試驗中對磨材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，基體與對磨材料的成分組成如表1所示。

表1 化學(xué)成分表Tab.1 Chemical composition table%

1.2 試樣制備

2Cr13不銹鋼基體尺寸為45mm×20mm×5mm，對磨銷1Cr18Ni9Ti尺寸為Φ3×16mm，上下表面平行，封嚴涂層分別APS（METCO.9M）與SAPS（HEPJ II）噴涂制備，厚度約為2mm，噴涂參數(shù)如表2所示。噴涂結(jié)束后，采用磨床對涂層進行后加工。

表2 面層噴涂參數(shù)表Tab.2 Plasma spray parameters for the surface layer

1.3 試驗方法

1.3.1 涂層結(jié)構(gòu)表征

利用掃描電子顯微鏡（美國FEI公司Q25鎢燈絲掃描電子顯微鏡）分析噴涂粉末與涂層結(jié)構(gòu)，利用Image-Pro Plus圖像分析軟件（Media Cybernetics，）統(tǒng)計兩種涂層中潤滑相的含量與單個潤滑相的平均尺寸（包括平均長度和平均寬度）。

1.3.2 摩擦磨損試驗

試驗采用CFT-I型摩擦磨損試驗機（蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司）進行摩擦磨損性能測試。試驗過程中涂層與對磨材料之間采用的是銷-塊式接觸，在室溫下進行往復(fù)式無油滑動摩擦。載荷設(shè)定為60N，滑動摩擦往復(fù)頻率為8.3次/s，單次滑動長度為5mm。采用三維激光共聚焦顯微鏡（VK-970，KEYENCE公司，日本）測量磨痕深度。

在掃描電子顯微鏡下觀察摩擦試驗后涂層和對磨材料磨痕的表面形貌，在二次電子（SE）和背散射電子（BSE）兩種模式下進行觀察分析，并且對涂層和對磨材料表面都進行了微區(qū)能譜分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖1 Ni-C粉末形貌Fig.1 SEM image of Ni-C powder

圖2 涂層的截面形貌Fig.2 Cross-sectional SEM images of coatings

圖1所示的是原始Ni-C粉末的外觀形貌。從圖1來看，粉末為典型的鎳包覆石墨粉，形狀不規(guī)則，平均粒徑范圍為45～90μm。圖2是噴涂態(tài)涂層的剖面形貌。從圖2可以看出，與APS涂層對比，SAPS涂層相對致密，空隙較少，且通過EDS分析，圖中黑色部分為石墨相，顏色較淺的部分為鎳基體相，石墨相在SAPS涂層中分布更加均勻，尺寸更加細小。采用IPP圖像分析方法對APS與SAPSNi-C涂層中的石墨潤滑相進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 單個潤滑相尺寸Fig.3 Size of single lubrication phase

圖像統(tǒng)計結(jié)果表明：APS Ni-C涂層中石墨相的平均長度與寬度分別為11.4μm和5.4μm，而SAPS Ni-C涂層則分別為10.1μm和4.6μm，且分布更為均勻。前期的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)噴涂粒子在超音速等離子體射流中會發(fā)生明顯的細化破碎現(xiàn)象，導(dǎo)致涂層中潤滑相尺寸降低[13]。

2.2 摩擦磨損試驗結(jié)果分析

2.2.1 摩擦因數(shù)

圖4所示的是在60N載荷下，與1Cr18Ni9Ti進行90min的摩擦磨損獲得的摩擦因數(shù)曲線。從圖4可以發(fā)現(xiàn)在如上摩擦磨損條件下，與APS涂層相比，SAPS涂層表現(xiàn)出更低的摩擦因數(shù)。分析原因在于長時間的摩擦磨損使得熱量累積效果增強明顯，粘著磨損加劇。從涂層中潤滑相平均尺寸的統(tǒng)計結(jié)果來看，SAPS涂層中分布均勻的潤滑相尺寸相對較低，潤滑相之間的平均距離縮短，在涂層表面塑性變形過程中潤滑相之間易于接觸，進而形成連續(xù)的潤滑膜，使得SAPS涂層與1Cr18Ni9Ti對磨時的摩擦因數(shù)減小，減摩效果更為明顯。

圖4 摩擦因數(shù)曲線（60N-90min）Fig.4 Friction coefficient curves(60N-90min)

2.2.2 磨損率

由于涂層磨痕深度較小，為準確獲得質(zhì)量或體積磨損量帶來很大難度。因此，本研究中以磨痕深度表征涂層的磨損量，磨痕深度通過激光三維共聚焦顯微鏡多次測量后取平均值。以單位時間的涂層磨痕深度表示其磨損率，單位時間銷的長度損失表示對磨材料的磨損率，60N載荷下對磨90min得到的涂層和銷的磨損率分別如圖5和圖6所示，可以看出相同試驗條件下SAPS涂層的磨損率與APS涂層相比較小，即SAPS涂層在自身耐磨性提高的同時，對對磨材料也起到了很好的保護效果。

圖5 涂層磨損率Fig.5 Wear rate of coatings

圖6 對磨材料磨損率Fig.6 Wear rate of counter parts

為了對涂層的可磨耗性進行更為準確的評價，現(xiàn)利用公式（1）將涂層與對磨銷的磨損率結(jié)合，獲得銷磨損比，即對磨銷磨損率與摩擦副總磨損率（涂層磨損率與銷磨損率之和）的比值。銷磨損比越小，可磨耗性越好。

1Cr18Ni9Ti對磨銷與APS及SAPS Ni-C涂層對磨時的IDR值分別為0.19與0.11，表明SAPS Ni-C涂層具有更為優(yōu)異的可磨耗性能。

圖7所示的是APS涂層與SAPS涂層在摩擦磨損過程中形成的塑性變形層與石墨潤滑膜，從中可以明顯看出，SAPS工藝噴涂Ni-C涂層表面塑性變形層更為致密，且石墨潤滑膜厚度較大。

圖7 涂層表面石墨潤滑膜與塑性變形層形貌Fig.7 Morphologies of graphite lubrication film and plastic flow layer on the surface of coating

兩種涂層與1Cr18Ni9Ti進行摩擦?xí)r，涂層的磨痕形貌如圖8所示。發(fā)現(xiàn)涂層表面出現(xiàn)十分明顯的犁溝，即發(fā)生了磨粒磨損。同時在背散射圖像中，灰色部分主要成分是O，C和Ni，并發(fā)現(xiàn)有少量Fe的存在，形態(tài)呈破碎狀。EDS結(jié)果表明，兩種涂層和對磨材料之間存在物質(zhì)相互轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，圖中A，B處Fe的原子百分比分別為9.62%和1.86%，粘著磨損較為嚴重，APS涂層表面的粘著成分相對較多。涂層表面可以觀察到很多剝落區(qū)域，其主要成分是C，O和少量Ni。兩者對比發(fā)現(xiàn)，1Cr18Ni9Ti與APS涂層對磨時犁溝比較明顯，而SAPS涂層表面的犁溝和粘著成分較少，表面開裂現(xiàn)象明顯，且觀察到壓實現(xiàn)象，摩擦形式主要有磨粒磨損，粘著磨損以及氧化磨損。

圖8 兩種涂層與1Cr18Ni9Ti對磨后的磨痕形貌Fig.8 Surface morphologies of Ni-C coatings against 1Cr18Ni9Ti steel

2.2.3 磨損機制分析

總結(jié)可磨耗自潤滑封嚴涂層與對磨材料（銷）的磨損機制。一方面，在干摩擦條件下，隨著銷的往復(fù)運動，在載荷作用下涂層表面發(fā)生破壞-壓實-再破壞的過程，鎳和石墨在銷與涂層之間形成塑性流動層；另一方面，在壓力與溫度的共同作用下，一些被擠壓出的石墨潤滑相粘附于銷的底部，同時在鎳-石墨塑性流動層之上形成一層潤滑膜，SAPS涂層中由于潤滑相尺寸的降低以及分布均勻性的提高，帶來了涂層表面瞬時溫度的提高[13-15]，這樣在涂層表面塑性變形過程中各潤滑相易于接觸，進而形成連續(xù)、面積較大的潤滑膜，潤滑效果得到提高。APS涂層組織結(jié)構(gòu)粗大，界面缺陷多，產(chǎn)生滑移的阻力大，再加上潤滑相分布比較集中，不容易在接觸表面形成連續(xù)均勻的潤滑膜，總結(jié)摩擦過程中潤滑膜的形成過程如圖9所示。

圖9 潤滑膜與塑性流動層形成過程示意圖Fig.9 Schematic of formation of lubrication film and plastic flow layer:(a)APS coating(b)SAPS coating

3 結(jié)論

本研究采用大氣等離子噴涂（APS）與高效能超音速等離子噴涂（SAPS）沉積Ni-C可磨耗封嚴涂層，對比研究兩種涂層的摩擦學(xué)性能，獲得以下結(jié)論：

1）SAPS涂層在60N載荷下與1Cr18Ni9Ti對磨90min過程中平均摩擦因數(shù)與APS涂層相比下降約28%，對磨材料1Cr18Ni9Ti單位時間磨損率降低了57%。

2）1Cr18Ni9Ti對磨銷與APS及SAPS Ni-C涂層對磨時的銷磨損比分別為0.19與0.11，表明SAPS Ni-C涂層具有更為優(yōu)異的可磨耗性能。

3）Ni-C涂層在與1Cr18Ni9Ti對磨時主要表現(xiàn)為磨粒磨損與粘著磨損，且伴隨著氧化磨損。

4）與APS涂層相比，SAPS涂層中潤滑相尺寸更加細小，分布更加均勻，導(dǎo)致在摩擦磨損過程中，涂層表面更易形成連續(xù)的潤滑膜，引起摩擦因數(shù)的降低。

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