康軍衛(wèi) 張佳平 宋佳

摘 要：本文通過中性鹽霧試驗(yàn)以及電化學(xué)分析技術(shù)研究了銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層的腐蝕行為和腐蝕機(jī)制，中性鹽霧腐蝕后銅鋁/鎳石墨顯示出明顯的腐蝕跡象，表面形成大量的腐蝕產(chǎn)物。通過對涂層的宏觀形貌、顯微組織、結(jié)合強(qiáng)度等性能進(jìn)行測試分析，掌握了銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層鹽霧腐蝕后的性能衰變特征。利用高速刮擦試驗(yàn)機(jī)模擬高壓壓氣機(jī)葉片與封嚴(yán)涂層的刮擦行為，研究了噴涂態(tài)以及腐蝕態(tài)的銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層與高溫合金模擬葉片試件的磨損行為。結(jié)果表明：在高速刮削條件下，噴涂態(tài)以及腐蝕態(tài)的銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層與高溫合金葉片的磨損機(jī)制為涂層剝落和葉片氧化磨損機(jī)制。高溫合金葉片與腐蝕態(tài)的銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層對磨后，涂層表面狀態(tài)惡化，涂層更容易剝落，葉片磨損情況變化不大。

關(guān)鍵詞：封嚴(yán)涂層；腐蝕行為；刮削機(jī)制

中圖分類號：TG17 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

銅鋁/鎳石墨涂層為適用于500℃以下的可磨耗封嚴(yán)涂層，主要應(yīng)用于我國軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)部位的氣路封嚴(yán)，其在海洋環(huán)境下的腐蝕行為以及與轉(zhuǎn)子葉片的可磨耗行為方面均影響發(fā)動(dòng)機(jī)效率，同時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全有著重要影響。目前，銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層腐蝕行為的研究以及銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層與高溫合金轉(zhuǎn)子葉片相容性方面，國內(nèi)外相關(guān)研究較少，國外未見公開報(bào)道，國內(nèi)僅有少量文獻(xiàn)發(fā)表。所以本文針對目前發(fā)動(dòng)機(jī)上使用的銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層，通過中性鹽霧試驗(yàn)以及電化學(xué)分析技術(shù)開展涂層腐蝕行為研究。采用能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)服役條件的高速刮削試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高速刮削試驗(yàn)，通過表面磨損形貌、可磨耗性計(jì)算等進(jìn)行可磨耗行為研究。結(jié)合銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層金相組織、結(jié)合強(qiáng)度和硬度等性能，有效評價(jià)海洋環(huán)境下銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層的腐蝕性能以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)其與轉(zhuǎn)子葉片的磨損性能，滿足封嚴(yán)涂層的安全應(yīng)用的需要。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

銅鋁/鎳石墨涂層的噴涂材料為混合型及團(tuán)聚型兩種噴涂粉末。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、條件

Metco 9M等離子噴涂設(shè)備、HP-6K火焰噴涂設(shè)備、自制高速刮擦式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)、電化學(xué)工作站等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)

2.1.1 腐蝕后宏觀形貌

噴涂態(tài)和腐蝕態(tài)的CuAl/NiC涂層的截面形貌中白色較亮部分為金屬相，是封嚴(yán)涂層中的金屬骨架，主要提供涂層所需的強(qiáng)度，灰色部分為石墨固體潤滑相，起到潤滑、減摩的作用，模糊的黑色區(qū)域?yàn)榭锥础８鶕?jù)涂層截面形貌可以看出，腐蝕后CuAl/NiC涂層中孔隙尺寸變大，CuAl-NiC涂層體系因發(fā)生了Al相的選擇性腐蝕，表面失去了金屬光澤，金屬相受到腐蝕變?yōu)榛液谏g相，金屬粒子邊緣溶解。可以預(yù)測，腐蝕環(huán)境會(huì)使封嚴(yán)涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，將會(huì)使封嚴(yán)涂層的結(jié)合強(qiáng)度下降以及抗沖蝕性能下降，使封嚴(yán)涂層在使用過程中容易發(fā)生大塊剝落，導(dǎo)致涂層作用失效。

2.1.2 結(jié)合強(qiáng)度檢測

封嚴(yán)涂層腐蝕過程中，涂層結(jié)構(gòu)受到腐蝕破壞，內(nèi)部結(jié)合強(qiáng)度降低，涂層可磨耗性得到提升，抗沖蝕性能的下降。為了更好的評價(jià)封嚴(yán)涂層的使役性能，還需要考慮腐蝕對涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度的影響。采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，對封嚴(yán)涂層的結(jié)合強(qiáng)度試片進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，拉伸速率1mm/s，按照HB20035進(jìn)行測試。分別將不同腐蝕時(shí)間下的試樣進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)。結(jié)合力測試結(jié)果為（1.22 MPa～6.7MPa）。

2.1.3 CuAl/NiC涂層體系極化行為研究

用電化學(xué)開路電位法測量涂層體系中的腐蝕趨勢，由開路電位變化趨勢可知，NiAl的開路電位始終低于CuAl/NiC，理論上，若腐蝕介質(zhì)到達(dá)底層和表層界面處，封嚴(yán)涂層的底層作為陽極優(yōu)先發(fā)生溶解。

電化學(xué)動(dòng)電位掃描法測量涂層體系中單獨(dú)兩種涂層的腐蝕速度，理論上實(shí)際使用過程中，封嚴(yán)涂層體系的黏結(jié)底層作為陽極優(yōu)先發(fā)生溶解，由于中間層的電位較表層的更負(fù)，即使腐蝕介質(zhì)到達(dá)了二者的界面處，表層所受到的腐蝕破壞很小。

綜合CuAl/NiC的腐蝕性能分析，涂層腐蝕時(shí)，理論上中間層NiAl優(yōu)先腐蝕。實(shí)際情況是腐蝕介質(zhì)未到達(dá)中間層和表層的結(jié)合界面處，表層CuAl/NiC優(yōu)先腐蝕，并覆蓋Ni/Cu的腐蝕產(chǎn)物。當(dāng)腐蝕時(shí)間增加，腐蝕介質(zhì)滲入中間層和表層的界面，引起層間的電化學(xué)腐蝕行為，造成層間界面結(jié)合強(qiáng)度下降，會(huì)發(fā)生連接層破壞這種嚴(yán)重的破壞形式。

2.2 涂層與葉片的高速刮擦試驗(yàn)

2.2.1 噴涂態(tài)銅鋁/鎳石墨涂層與高溫合金葉片刮擦的磨損機(jī)制

線速度300 m/s、進(jìn)給速度0.015 m/s下，涂層表面的能譜結(jié)果顯示其含有Al、O、N和Si元素，但無Ti元素含量，說明在此高速刮擦試驗(yàn)條件下葉片材料沒有向涂層發(fā)生轉(zhuǎn)移。即此時(shí)涂層的磨損機(jī)制為涂層剝落和葉片刮磨涂層形成刮削犁溝。刮擦后葉片端面部分區(qū)域黏附Al/BN涂層，根據(jù)側(cè)面黏附涂層的高度可見，黏附涂層高度接近1mm，未黏結(jié)涂層區(qū)域仍為葉片基體材料，表面基本無磨損現(xiàn)象。葉片表面黏附涂層表面的能譜顯示其含有Al、O、N和Si元素，為涂層成分。

2.2.2 腐蝕態(tài)銅鋁/鎳石墨涂層與高溫合金葉片刮擦的磨損機(jī)制

當(dāng)進(jìn)給速度0.01 m/s時(shí)，葉片端面一側(cè)全部為黏附涂層，另一側(cè)磨痕形貌中存在犁溝，表明刮削過程中從涂層中剝落的松散粒子將成為對磨副中的磨粒，對葉片表面的黏附涂層造成進(jìn)一步的磨損，此時(shí)葉片的磨損機(jī)制為涂層黏附、犁削和塑性變形。

結(jié)論

（1）鹽霧腐蝕后，銅鋁/鎳石墨涂層組織中孔隙含量增加，金屬相腐蝕溶解。在此金相組織下，銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層表面洛氏硬度降低、結(jié)合強(qiáng)度均大幅度下降。鹽霧腐蝕環(huán)境造成銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層的性能衰減。

（2）理論上NiAl底層優(yōu)先腐蝕，但在實(shí)際情況中，腐蝕介質(zhì)未到達(dá)底層和面層的結(jié)合界面處，面層銅鋁/鎳石墨優(yōu)先腐蝕，隨著腐蝕時(shí)間延長，會(huì)出現(xiàn)綠色的腐蝕點(diǎn)，表面覆蓋Ni/Cu的腐蝕產(chǎn)物。

（3）在300m/s的線速度、入侵速度在0.015 mm/s，入侵深度在500mm條件下，噴涂態(tài)銅鋁/鎳石墨涂層與GH4169合金葉片試件對磨時(shí)，涂層表面出現(xiàn)刮削后涂層粒子剝落狀態(tài)，葉片表面有氧化變色及磨損現(xiàn)象，磨損機(jī)制主要為氧化磨損機(jī)制。

（4）在相同刮磨條件下，涂層表面涂層粒子剝落更為嚴(yán)重，葉片表面兼有磨損以及銅鋁/鎳石墨涂層腐蝕產(chǎn)物黏附現(xiàn)象，葉片表面有銅鋁/鎳石墨涂層腐蝕產(chǎn)物黏附區(qū)域造成葉片伸長，以致涂層刮痕更長，葉片表面磨損狀態(tài)與未腐蝕狀態(tài)相近，磨損機(jī)制主要為氧化磨損機(jī)制。

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