趙心我，于月光，孫建剛

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，節(jié)能降耗已成為人類21 世紀(jì)面臨的嚴(yán)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(jì)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)帶來了新的更高的要求，低油耗、大推力、長(zhǎng)壽命已成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)[1]。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的氣路密封即轉(zhuǎn)子與機(jī)匣的徑向間隙大小對(duì)壓氣機(jī)、渦輪機(jī)的功率、效率及耗油率都有極大的影響。據(jù)資料報(bào)道，典型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)徑向間隙增大0.076 mm，對(duì)應(yīng)的單位油耗就將增大約1%；高壓渦輪機(jī)轉(zhuǎn)、靜子間隙增加0.00127 mm，對(duì)應(yīng)的單位油耗量增加約0.5%；當(dāng)轉(zhuǎn)、靜子間隙平均減少0.245 mm 時(shí)，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(dòng)機(jī)的性能，但過度減小轉(zhuǎn)、靜子的間隙容易造成轉(zhuǎn)動(dòng)部分與機(jī)匣的碰磨損傷，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)極為不利。封嚴(yán)涂層技術(shù)也就成為了控制轉(zhuǎn)、靜子間隙的常用方法，當(dāng)葉片與涂層刮削碰磨時(shí)，封嚴(yán)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(dòng)機(jī)性能。

鋁硅聚苯酯(AlSi/PHB)可磨耗封嚴(yán)涂層由于其生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)便、成本低、返修和調(diào)整性能容易、封嚴(yán)效果好[3-4]而被國(guó)內(nèi)外主要發(fā)動(dòng)機(jī)制造商廣泛采用，大量應(yīng)用于如風(fēng)扇、壓氣機(jī)等零部件制造和維修，可大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)度[5]，Si 可以改善合金的流動(dòng)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(jī)加工性能，具有中等的強(qiáng)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(rùn)滑性能，使其非常適合用作可磨耗封嚴(yán)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(jī)部位的機(jī)匣封嚴(yán)。

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

1 試驗(yàn)過程與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)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(tuán)有限公司研制的團(tuán)聚型鋁硅聚苯酯封嚴(yán)涂層材料（牌號(hào)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(tuán)聚型鋁硅聚苯酯封嚴(yán)涂層材料的典型性能Table 3 Typical performance of AlSi/PHB

對(duì)基材進(jìn)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(qiáng)度。噴涂前將粉末進(jìn)行烘干處理。采用德國(guó)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(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

封嚴(yán)涂層可磨耗性能評(píng)價(jià)和磨耗機(jī)理的研究對(duì)于封嚴(yán)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(yàn)是目前國(guó)內(nèi)外采用的最接近航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作條件的評(píng)價(jià)方法。該方法是通過模擬動(dòng)靜部件之間的相互刮擦過程，對(duì)涂層進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)磨耗機(jī)理進(jìn)行研究。為了模擬航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封服役條件下的摩擦磨損現(xiàn)象，研究封嚴(yán)涂層的磨耗機(jī)理，評(píng)價(jià)涂層的可磨耗性能，礦冶科技集團(tuán)研制出全尺寸BGRIMM-ATR 型高溫超高速磨耗試驗(yàn)平臺(tái)[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(cè)試溫度1200℃、微進(jìn)給速率范圍2～2000 μm/s。可磨耗試驗(yàn)機(jī)能夠準(zhǔn)確記錄試驗(yàn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如輪盤轉(zhuǎn)速、葉尖線速度、試樣進(jìn)給速度、進(jìn)給深度、試樣加熱溫度、刮削力等。

利用BGRIMM-ATR 型可磨耗試驗(yàn)機(jī)對(duì)AlSi/PHB 封嚴(yán)涂層試樣進(jìn)行可磨耗試驗(yàn)，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(yàn)溫度選定為25℃。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表4 所示。

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

1.3 樣品表征

選用測(cè)量精度為0.001g 的電子天平對(duì)試驗(yàn)前后AlSi/PHB 封嚴(yán)涂層試樣和葉片的質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算出兩者的磨損量比值。對(duì)試驗(yàn)后涂層和葉片磨痕采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前涂層與基體質(zhì)量×100%。葉片磨損質(zhì)量=實(shí)驗(yàn)后葉片質(zhì)量-實(shí)驗(yàn)前葉片質(zhì)量，涂層與基體磨損質(zhì)量=實(shí)驗(yàn)后涂層與基體質(zhì)量-實(shí)驗(yàn)前涂層與基體質(zhì)量。葉片質(zhì)量磨損比為正時(shí)代表葉片被磨損，為負(fù)時(shí)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(duì)磨時(shí)葉片的損傷越小。涂層質(zhì)量磨損比代表涂層在試驗(yàn)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(jìn)中小水電開發(fā)。國(guó)家發(fā)改委評(píng)審?fù)ㄟ^了《怒江中下游水電規(guī)劃報(bào)告》，計(jì)劃了在怒江修建“兩庫十三級(jí)”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(duì)。在隨后的十一五、十二五國(guó)家能源發(fā)展規(guī)劃中，怒江水電開發(fā)的計(jì)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(hù)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(cè)量的方式無法獲得準(zhǔn)確的刮痕深度數(shù)據(jù)。根據(jù)轉(zhuǎn)子半徑與刮痕長(zhǎng)度的幾何關(guān)系，通過計(jì)算得出更為準(zhǔn)確的刮痕深度數(shù)據(jù)，刮削深度與刮削長(zhǎng)度的幾何關(guān)系如圖1 所示。在進(jìn)行磨耗試驗(yàn)前后，采用游標(biāo)卡尺對(duì)涂層刮痕的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)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(zhǎng)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(jì)算公式：

式中D為涂層刮削深度計(jì)算值；R為輪盤半徑+葉片高度；L為涂層刮削長(zhǎng)度。

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

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

進(jìn)給深度比IDR是評(píng)價(jià)涂層可磨耗性能的定量指標(biāo)。IDR的絕對(duì)值越小，可磨耗性能就越好。當(dāng)以葉片磨損為主時(shí)，IDR為正值，當(dāng)出現(xiàn)涂層材料黏附葉片時(shí)，IDR為負(fù)值。一般情況下，IDR絕對(duì)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(duì)可磨耗試驗(yàn)后的涂層和模擬葉片進(jìn)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(jìn)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(jī)理以犁削與切削為主，在所有的實(shí)驗(yàn)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(gè)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(rèn)為雖然進(jìn)給速率發(fā)生了改變，但是總體的磨耗機(jī)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(jìn)給速率的增加，涂層刮削后的凹坑變多，這說明在進(jìn)給速率增加時(shí)，葉片與涂層因?yàn)榕瞿×页潭仍黾佣l(fā)生了撕裂，并且隨進(jìn)給速率增加，刮削同樣深度時(shí)的刮削次數(shù)變少，每次碰磨的進(jìn)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(huì)影響涂層的密封性。

圖2 不同進(jìn)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(duì)可磨耗試驗(yàn)后的涂層試樣和模擬葉片進(jìn)行測(cè)試。涂層刮削深度、葉片磨損高度及總磨耗深度等測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，如表5 所示。由表5 可知，在線速度為350 m/s，進(jìn)給速度5～100 μm/s，進(jìn)給深度500 μm 條件下：在不同進(jìn)給速率下AlSi/PHB 涂層的刮削深度均大于進(jìn)給深度，而對(duì)磨葉片的高度減少均低于進(jìn)給深度。對(duì)比三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在進(jìn)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(shì)。

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(duì)可磨耗試驗(yàn)后的涂層試樣和模擬葉片進(jìn)行宏觀測(cè)試。涂層磨損質(zhì)量、葉片磨損質(zhì)量及磨損比例等測(cè)量和計(jì)算結(jié)果，如表6 所示。由表6 可知，在進(jìn)給速率增大的過程中，涂層的磨損量逐漸增大，而葉片在進(jìn)給速率5 μm/s 與100 μm/s 時(shí)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(dāng)進(jìn)給速率為50 μm/s 時(shí)，葉片無質(zhì)量變化，說明當(dāng)進(jìn)給速率為50 μm/s 時(shí)，AlSi/PHB涂層的可磨耗性相對(duì)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(hù)。

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

2.4 涂層SEM 形貌分析

對(duì)可磨耗試驗(yàn)后的涂層刮削區(qū)域進(jìn)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(rùn)滑相，深色部分為AlSi 金屬相，同時(shí)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(shí)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(jìn)給速率條件下碰磨時(shí)，單次刮削深度小，犁溝較明顯。在固體潤(rùn)滑相周圍的金屬相會(huì)被撕扯掉，形成一些孔洞，同時(shí)在沿犁溝方向的金屬相上會(huì)形成部分鱗片狀結(jié)構(gòu)，犁溝周圍有很多細(xì)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(jìn)給速率條件下碰磨時(shí)，單次刮削深度增加犁溝均勻且固體潤(rùn)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(jī)理為切削磨損。由3#（圖3(c)）試樣可知，涂層在100 μm/s 進(jìn)給速率條件下碰磨時(shí)，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(rùn)滑相周圍的撕扯作用在三組中最大，孔洞最深最明顯，同時(shí)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(jìn)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(duì)可磨耗試驗(yàn)后的涂層試樣進(jìn)行IDR值計(jì)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(duì)比來看2#涂層IDR值為0，可磨耗性在這三組中最好。同時(shí)，在進(jìn)給速率從5 μm/s 升至50 μm/s 時(shí)，IDR值變化幅度較小，但進(jìn)給速率從50 μm/s 升至100 μm/s 時(shí)，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(jìn)給速率會(huì)造成葉片和涂層的碰磨過程更加劇烈。

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

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)的碰磨方式為間歇碰磨方式，葉片與涂層的碰磨過程時(shí)間極短，在每次高速碰磨后涂層表面都會(huì)形成摩擦熱，在相同的進(jìn)給深度條件下，低進(jìn)給速率時(shí)葉片與涂層碰磨次數(shù)多、時(shí)間長(zhǎng)、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(huì)造成熱量聚集在涂層的刮削表面不易擴(kuò)散，當(dāng)熱量達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)在該區(qū)域形成熔融形貌。同時(shí)葉片的每次碰磨的徑向撞擊會(huì)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部壓實(shí)和塑性破壞，使犁溝變形破碎，因此在5 μm/s進(jìn)給速率下會(huì)發(fā)現(xiàn)犁溝周圍有很多細(xì)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(jī)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(jìn)給速率時(shí)，因?yàn)榕瞿ゴ螖?shù)少，所以單次進(jìn)給量很大，葉片對(duì)涂層的犁削和撞擊撕裂作用也非常大，于是會(huì)造成深犁溝與潤(rùn)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(yàn)機(jī)對(duì)AlSi/PHB 可磨耗涂層材料進(jìn)行了線速度350m/s 下的不同進(jìn)給速率實(shí)驗(yàn)，進(jìn)給速率分別為5 μm/s、50 μm/s、100 μm/s。得到了不同進(jìn)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(jìn)給速率的增加，IDR 值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)進(jìn)給速率為50 μm/s 時(shí)，涂層的可磨耗性相對(duì)最優(yōu)。

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

(3) 進(jìn)給速率的改變對(duì)AlSi/PHB 涂層在常溫服役條件下的相對(duì)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(jìn)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(yán)涂層。