趙心我，于月光，孫建剛

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3. 特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，節(jié)能降耗已成為人類21 世紀面臨的嚴峻任務(wù)。航空工業(yè)領(lǐng)域也不例外，在航空飛行器的設(shè)計中，更安全、更高效、更舒適成為了新一代飛行器的發(fā)展方向，這也給航空發(fā)動機的設(shè)計帶來了新的更高的要求，低油耗、大推力、長壽命已成為新一代航空發(fā)動機設(shè)計的總體目標[1]。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機的氣路密封即轉(zhuǎn)子與機匣的徑向間隙大小對壓氣機、渦輪機的功率、效率及耗油率都有極大的影響。據(jù)資料報道，典型發(fā)動機的壓氣機徑向間隙增大0.076 mm，對應(yīng)的單位油耗就將增大約1%；高壓渦輪機轉(zhuǎn)、靜子間隙增加0.00127 mm，對應(yīng)的單位油耗量增加約0.5%；當轉(zhuǎn)、靜子間隙平均減少0.245 mm 時，效率大約可提升1%[2]。

雖然間隙的減小可以提升航空發(fā)動機的性能，但過度減小轉(zhuǎn)、靜子的間隙容易造成轉(zhuǎn)動部分與機匣的碰磨損傷，對發(fā)動機極為不利。封嚴涂層技術(shù)也就成為了控制轉(zhuǎn)、靜子間隙的常用方法，當葉片與涂層刮削碰磨時，封嚴涂層將“吸收”大部分的碰磨能量，從而確保轉(zhuǎn)子葉片不發(fā)生磨損或粘著，并維持最小的氣路間隙以提高發(fā)動機性能。

鋁硅聚苯酯(AlSi/PHB)可磨耗封嚴涂層由于其生產(chǎn)工藝簡便、成本低、返修和調(diào)整性能容易、封嚴效果好[3-4]而被國內(nèi)外主要發(fā)動機制造商廣泛采用，大量應(yīng)用于如風扇、壓氣機等零部件制造和維修，可大幅提高發(fā)動機的功率、降低油耗。在鋁硅聚苯酯材料中，AlSi 名義含量60%，聚苯酯名義含量40%。AlSi 作為金屬骨架相中，Al 的存在降低了剪切強度[5]，Si 可以改善合金的流動性，降低熱裂傾向，減少疏松，提高氣密性，使合金具有好的耐腐蝕性能和中等的機加工性能，具有中等的強度和硬度，但塑性較低，可磨耗性較好。聚苯酯具有良好的自潤滑性能，使其非常適合用作可磨耗封嚴涂層材料中的可磨耗相。AlSi/PHB 使用溫度一般都在325℃以下，主要應(yīng)用于低壓壓氣機部位的機匣封嚴。

本文利用自主研發(fā)的BGRIMM-ATR 型高溫超高速可磨耗試驗機對AlSi/PHB 封嚴涂層材料進行了不同模擬工況下的磨耗試驗，對不同的進給速率條件下的可磨耗性進行了研究。通過對試驗后的涂層和葉片的磨損質(zhì)量、磨損高度、磨損形貌等進行分析，研究了不同試驗參數(shù)對封嚴涂層可磨耗性的影響，對AlSi/PHB 封嚴涂層材料進行了初步的可磨耗性評價。

1 試驗過程與方法

1.1 實驗材料

采用的模擬葉片為GH4169，主要化學(xué)成分和性能參數(shù)見表l 和表2。采用電火花線切割加工，葉尖高度1.5 mm，厚度為0.5 mm，寬度為25 mm，經(jīng)丙酮超聲波清洗后吹干備用。

表1 GH4169 的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of GH4169

表2 GH4169 的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of GH4169

使用礦冶科技集團有限公司研制的團聚型鋁硅聚苯酯封嚴涂層材料（牌號KF-120）制備AlSi/PHB 涂層。材料為近球狀粉末顆粒，粉末材料基本性能如表3 所示。

表3 團聚型鋁硅聚苯酯封嚴涂層材料的典型性能Table 3 Typical performance of AlSi/PHB

對基材進行噴砂粗化和除油處理，形成潔凈的粗糙表面以提高基體與涂層的結(jié)合強度。噴涂前將粉末進行烘干處理。采用德國GTV 噴涂系統(tǒng)，用F6 等離子噴涂槍在基體表面制備AlSi/PHB 涂層，其中粘結(jié)層材料選用NiAl95/5 復(fù)合粉，粘結(jié)層厚度約為120 μm，AlSi/PHB 復(fù)合面層厚度為2.5 mm。經(jīng)過優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)為：主氣(Ar)流量60 L/min、輔氣(H2)流量7 L/min、送粉速率26 g/min、電弧電流400 A、噴距90 mm。

1.2 高溫超高速可磨耗試驗機及實驗參數(shù)

封嚴涂層可磨耗性能評價和磨耗機理的研究對于封嚴涂層材料的制備和成分優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。高溫超高速可磨耗試驗是目前國內(nèi)外采用的最接近航空發(fā)動機實際工作條件的評價方法。該方法是通過模擬動靜部件之間的相互刮擦過程，對涂層進行評價，對磨耗機理進行研究。為了模擬航空渦輪發(fā)動機氣路密封服役條件下的摩擦磨損現(xiàn)象，研究封嚴涂層的磨耗機理，評價涂層的可磨耗性能，礦冶科技集團研制出全尺寸BGRIMM-ATR 型高溫超高速磨耗試驗平臺[6]。其設(shè)備參數(shù)如下：輪盤最高轉(zhuǎn)速15500 rpm、最高線速度450 m/s、最高測試溫度1200℃、微進給速率范圍2～2000 μm/s?？赡ズ脑囼灆C能夠準確記錄試驗中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如輪盤轉(zhuǎn)速、葉尖線速度、試樣進給速度、進給深度、試樣加熱溫度、刮削力等。

利用BGRIMM-ATR 型可磨耗試驗機對AlSi/PHB 封嚴涂層試樣進行可磨耗試驗，試樣的尺寸為：100 mm×40 mm×8 mm。由于AlSi/PHB 材料一般在低于325℃溫度下工作，試驗溫度選定為25℃。實驗參數(shù)如表4 所示。

表4 AlSi/PHB 封嚴涂層可磨耗試驗參數(shù)Table 4 Abrasion test parameters of AlSi/PHB seal coating

1.3 樣品表征

選用測量精度為0.001g 的電子天平對試驗前后AlSi/PHB 封嚴涂層試樣和葉片的質(zhì)量進行測量，計算出兩者的磨損量比值。對試驗后涂層和葉片磨痕采用光學(xué)顯微鏡進行宏觀形貌分析，采用日立公司的HitachiSU-5000 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和分析涂層試樣的顯微組織形貌。

1.4 葉片/涂層磨損質(zhì)量、IDR 定義

定義葉片質(zhì)量磨損比為：葉片磨損質(zhì)量÷實驗前葉片質(zhì)量×100%。定義涂層質(zhì)量磨損比為：涂層與基體磨損質(zhì)量÷實驗前涂層與基體質(zhì)量×100%。葉片磨損質(zhì)量=實驗后葉片質(zhì)量-實驗前葉片質(zhì)量，涂層與基體磨損質(zhì)量=實驗后涂層與基體質(zhì)量-實驗前涂層與基體質(zhì)量。葉片質(zhì)量磨損比為正時代表葉片被磨損，為負時代表葉片上有涂層的黏附。葉片質(zhì)量磨損比越低，說明涂層與葉片對磨時葉片的損傷越小。涂層質(zhì)量磨損比代表涂層在試驗前后損失的質(zhì)量，不同工況下磨損質(zhì)量比數(shù)值變化幅度越小，說明涂層的磨耗性能越穩(wěn)定，并未出現(xiàn)大面積剝落、掉塊等極端情況。

怒江州政府從2003年開始大量招商引資，推進中小水電開發(fā)。國家發(fā)改委評審?fù)ㄟ^了《怒江中下游水電規(guī)劃報告》，計劃了在怒江修建“兩庫十三級”電站的開發(fā)方案,但上述規(guī)劃方案遭到了環(huán)保組織的反對。在隨后的十一五、十二五國家能源發(fā)展規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)的計劃一直位列其中。通過民間環(huán)保力量的不懈努力，經(jīng)過十多年保護與開發(fā)的探討，在2016年12月的能源發(fā)展十三五規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)終于出列。

由于刮痕表面形貌不規(guī)則，采用直接測量的方式無法獲得準確的刮痕深度數(shù)據(jù)。根據(jù)轉(zhuǎn)子半徑與刮痕長度的幾何關(guān)系，通過計算得出更為準確的刮痕深度數(shù)據(jù)，刮削深度與刮削長度的幾何關(guān)系如圖1 所示。在進行磨耗試驗前后，采用游標卡尺對涂層刮痕的長度進行測量并記錄，其滿足GB/T 1214.3 的規(guī)定，精度為0.02 mm。

圖1 刮痕深度與刮痕長度的幾何關(guān)系Fig. 1 The geometric relationship between the depth of the scratch and the length of the scratch

涂層刮削深度的計算公式：

式中D為涂層刮削深度計算值；R為輪盤半徑+葉片高度；L為涂層刮削長度。

將刮削試驗前后的葉片高度變化與總進給深度的比值定義為葉片高度磨損比(IDR)，通過下式計算：

式中，Δh為葉片高度變化值，Δh=刮削前高度-刮削后高度；當刮削試驗后，葉片高度增加(Δh<0)時，即有涂層材料向葉尖的粘附造成葉片高度增加，總進給深度值=刮痕深度的計算值；當刮削試驗后，葉片高度減小(Δh>0)時，總進給深度=刮痕深度的計算值+葉片高度變化值，即總的進給深度就是葉尖磨損的深度與涂層被刮削的深度之和。

進給深度比IDR是評價涂層可磨耗性能的定量指標。IDR的絕對值越小，可磨耗性能就越好。當以葉片磨損為主時，IDR為正值，當出現(xiàn)涂層材料黏附葉片時，IDR為負值。一般情況下，IDR絕對值小于10%可磨耗性為優(yōu)，10～20%可磨耗性為良，20%～ 30%可磨耗性為可接受。

2 結(jié)果及分析

2.1 涂層與葉片磨耗的宏觀形貌

對可磨耗試驗后的涂層和模擬葉片進行宏觀形貌觀察，如圖2 所示。從圖2 可以看出，所有涂層均發(fā)生不同程度的磨耗，其表面有明顯的刮削弧形凹槽，涂層試樣在不同的進給速率下呈現(xiàn)的磨耗形貌基本相似，涂層表面刮削區(qū)域均有較為明顯的犁溝和切削痕跡，磨耗機理以犁削與切削為主，在所有的實驗條件下涂層均未發(fā)生大面積剝落和掉塊現(xiàn)象，葉片的刮削方向是從左到右，在整個刮削的范圍內(nèi)，涂層表面的磨損形貌基本一致，沒有明顯差異，可以認為雖然進給速率發(fā)生了改變，但是總體的磨耗機理沒有發(fā)生變化，為犁削磨損。從圖中還能看出，涂層表面均有不均勻分布的凹坑，并且隨著進給速率的增加，涂層刮削后的凹坑變多，這說明在進給速率增加時，葉片與涂層因為碰磨劇烈程度增加而發(fā)生了撕裂，并且隨進給速率增加，刮削同樣深度時的刮削次數(shù)變少，每次碰磨的進給深度變大，葉片與涂層的碰磨作用更劇烈，所以碰撞產(chǎn)生的凹坑更大更多，凹坑的數(shù)量和大小會影響涂層的密封性。

圖2 不同進給速率條件下涂層與模擬葉片宏觀形貌圖: (a), (b)1#; (c), (d) 2#; (e), (f) 3#Fig. 2 The macro morphology of the coating and the blade simulation diagram under different test conditions:(a), (b)1#; (c), (d) 2#; (e), (f) 3#

2.2 涂層刮削深度、葉片磨損高度和總磨耗深度

對可磨耗試驗后的涂層試樣和模擬葉片進行測試。涂層刮削深度、葉片磨損高度及總磨耗深度等測量和計算結(jié)果，如表5 所示。由表5 可知，在線速度為350 m/s，進給速度5～100 μm/s，進給深度500 μm 條件下：在不同進給速率下AlSi/PHB 涂層的刮削深度均大于進給深度，而對磨葉片的高度減少均低于進給深度。對比三組實驗數(shù)據(jù)可知，在進給速率增大的過程中，葉片磨損高度與總磨耗深度有先降低后增加的趨勢。

表5 涂層刮削深度、葉片磨損高度和總磨耗深度Table 5 Scraping depth of the coating, wear height of the blade and the total wear depth

2.3 涂層與葉片磨損質(zhì)量分析

對可磨耗試驗后的涂層試樣和模擬葉片進行宏觀測試。涂層磨損質(zhì)量、葉片磨損質(zhì)量及磨損比例等測量和計算結(jié)果，如表6 所示。由表6 可知，在進給速率增大的過程中，涂層的磨損量逐漸增大，而葉片在進給速率5 μm/s 與100 μm/s 時僅有極微小的質(zhì)量增加，說明有極少部分涂層黏附在葉尖。而當進給速率為50 μm/s 時，葉片無質(zhì)量變化，說明當進給速率為50 μm/s 時，AlSi/PHB涂層的可磨耗性相對最好，葉片質(zhì)量磨損比最小，涂層能為葉片提供最有效的保護。

表6 涂層與葉片試樣磨損質(zhì)量統(tǒng)計表Table 6 Statistical Table of Wear Quality of Coating and Blade Specimen

2.4 涂層SEM 形貌分析

對可磨耗試驗后的涂層刮削區(qū)域進行SEM形貌觀察，如圖3 所示。由圖3 可知，在200 倍電子顯微鏡下涂層試樣均有明顯的刮削與犁溝形貌，圖中淺色的部分是聚苯酯固體潤滑相，深色部分為AlSi 金屬相，同時也存在一些孔洞。并且在1#（圖3(a)）、3#（圖3(c)）試樣中出現(xiàn)了一些較深較大的犁溝，同時這些犁溝其周圍也產(chǎn)生了許多的粘連狀金屬相。由1#試樣（圖3(a)）可知，涂層在5 μm/s進給速率條件下碰磨時，單次刮削深度小，犁溝較明顯。在固體潤滑相周圍的金屬相會被撕扯掉，形成一些孔洞，同時在沿犁溝方向的金屬相上會形成部分鱗片狀結(jié)構(gòu)，犁溝周圍有很多細小的裂紋與破碎，并存在一些溝槽兩側(cè)有熔融黏附的痕跡。由2#（圖3(b)）試樣可知，涂層在50 μm/s 進給速率條件下碰磨時，單次刮削深度增加犁溝均勻且固體潤滑相周圍的孔洞較1#降低很多，并且也無明顯的鱗片狀結(jié)構(gòu)，整體刮削形貌比較均勻，說明該條件下主要磨損機理為切削磨損。由3#（圖3(c)）試樣可知，涂層在100 μm/s 進給速率條件下碰磨時，單次刮削深度最大，犁溝變得明顯且深，在犁溝周圍還可觀察到金屬相的破裂和碰磨碎屑，在固體潤滑相周圍的撕扯作用在三組中最大，孔洞最深最明顯，同時可以看到涂層沿犁溝方向有一些較大塊的鱗片狀結(jié)構(gòu)。

圖3 不同進給速率條件下涂層SEM 形貌圖: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#Fig. 3 SEM topography of coating under different feed rate conditions: (a) 1#; (b) 2#; (c) 3#

2.5 IDR 分析

對可磨耗試驗后的涂層試樣進行IDR值計算，結(jié)果如表7 所示。由表7 可知，1#、2#、3#涂層的可磨耗性均為優(yōu)，但對比來看2#涂層IDR值為0，可磨耗性在這三組中最好。同時，在進給速率從5 μm/s 升至50 μm/s 時，IDR值變化幅度較小，但進給速率從50 μm/s 升至100 μm/s 時，IDR值的變化幅度相較于前一段有大幅上升，這說明過高的進給速率會造成葉片和涂層的碰磨過程更加劇烈。

表7 涂層IDR 值計算結(jié)果Table 7 Coating IDR value calculation result

綜上實驗結(jié)果可知，本實驗的碰磨方式為間歇碰磨方式，葉片與涂層的碰磨過程時間極短，在每次高速碰磨后涂層表面都會形成摩擦熱，在相同的進給深度條件下，低進給速率時葉片與涂層碰磨次數(shù)多、時間長、單次刮削量小，所以葉片每次都近乎與前一次的表層碰磨，這會造成熱量聚集在涂層的刮削表面不易擴散，當熱量達到一定程度時，會在該區(qū)域形成熔融形貌。同時葉片的每次碰磨的徑向撞擊會對該區(qū)域進行局部壓實和塑性破壞，使犁溝變形破碎，因此在5 μm/s進給速率下會發(fā)現(xiàn)犁溝周圍有很多細小的裂紋與層狀破碎物。涂層表面的犁溝與切削形貌說明主要的變形機制是犁削與切削變形，且刮削溝槽越均勻，說明碰磨過程越穩(wěn)定。在100 μm/s 的高進給速率時，因為碰磨次數(shù)少，所以單次進給量很大，葉片對涂層的犁削和撞擊撕裂作用也非常大，于是會造成深犁溝與潤滑相周圍的孔洞增大增多，金屬相裂紋增加增大，磨屑增加，可磨耗性變差。

3 結(jié) 論

本文采用BGRIMM-ATR 型高溫超高速可磨耗試驗機對AlSi/PHB 可磨耗涂層材料進行了線速度350m/s 下的不同進給速率實驗，進給速率分別為5 μm/s、50 μm/s、100 μm/s。得到了不同進給速率下的涂層和葉片的磨損質(zhì)量、表面宏觀和微觀磨損形貌、磨損高度等結(jié)果，通過研究得出結(jié)論：

(1) 隨著進給速率的增加，IDR 值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當進給速率為50 μm/s 時，涂層的可磨耗性相對最優(yōu)。

(2) 在低進給速率時，AlSi/PHB 涂層的磨耗機制為切削、犁削與熔融；在中進給速率時磨耗機制主要為切削；在高進給速率時磨耗機制主要為犁削與撕裂。

(3) 進給速率的改變對AlSi/PHB 涂層在常溫服役條件下的相對可磨耗性有很大影響。但是AlSi/PHB 涂層在常溫服役條件下，微小、常規(guī)和極限進給條件下可磨耗性仍較為優(yōu)秀，是一款性能優(yōu)異的可磨耗封嚴涂層。