閆希彥 ，楊焜,*，曾克里，鄧春明，鄧暢光，趙明純

（1.中南大學，湖南 長沙 410083；2.廣東省科學院新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術國家工程實驗室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術重點實驗室，廣東 廣州 510650）

可磨耗封嚴涂層作為一種復合涂層，主要由提供涂層力學性能的金屬組分和保證涂層磨耗性能的非金屬組分構成。作為一種犧牲性涂層，其應用領域主要集中在航空發(fā)動機的風扇、壓氣機和渦輪機上，起到減小發(fā)動機旋轉部件與機匣間隙的作用，通過運行過程中對可磨耗封嚴涂層的主動刮削作用，實現(xiàn)徑向間隙封嚴控制，以獲得最大壓差，可減少泄漏，補償轉子及靜子部件熱膨脹差異及加工公差，提高效率，降低油耗，提高飛行安全性和延長大修間隔，從而保證發(fā)動機的高效運行[1-3]。

可磨耗封嚴涂層應用的關鍵在于確保涂層獲得相對穩(wěn)定的摩擦學性能，國內外已有不少相關研究?？刂仆繉幽ズ男阅艿年P鍵之一是對非金屬相的成分及組織形態(tài)的控制[4-11]。Liu等人[7]的研究表明，可磨耗涂層中高含量、細小的非金屬相更有利于封嚴涂層磨耗性能的優(yōu)化；Du等人[8]在研究了Ni3Al/hBN封嚴涂層后指出，涂層中非金屬相的含量應控制在合理范圍內，以確保獲得較優(yōu)的力學性能和摩擦磨損性能；唐健江等[9]通過不同等離子噴涂工藝來控制鎳石墨涂層潤滑相的尺寸，發(fā)現(xiàn)涂層的洛氏硬度、結合強度等力學性能及抗沖蝕磨損性能會隨著潤滑相尺寸的減小而增強；紀朝輝等[10]通過多重分形譜分析鋁硅聚苯酯(AlSi-PHB)涂層中的聚苯酯顆粒分布及尺寸，對比不同噴涂工藝條件下涂層的摩擦因數(shù)及抵抗高速刮削力的性能。目前表征涂層磨耗性能的前沿方法為臺架試驗法。該方法充分考慮了封嚴涂層實際服役過程的復雜性，通過搭建高溫高速模擬試驗臺，高度模擬了封嚴涂層實際應用的極端環(huán)境。其主要研究手段是在模擬葉片和涂層發(fā)生刮削過程中控制對磨副的進給速率和線速度，考察涂層及摩擦副的質量損失與摩擦磨損形貌[12-15]。

鋁-六方氮化硼(Al/hBN)作為一種典型的低溫封嚴涂層，服役環(huán)境溫度為450 °C以下，已在發(fā)動機風扇和壓氣機1至4級獲得廣泛應用。然而傳統(tǒng)的Al/hBN原始粉末中Al和hBN組分均為低密度材料，在機械攪拌混合制粉過程中都不易均勻分散，粉末僅依靠黏結劑粘連在一起，易因成分不均勻而產生金屬相和非金屬相偏聚，而且對于僅依靠黏結劑粘連的包覆結構，復合粉末顆粒在等離子焰流中加溫加速時易被破壞，裸露的hBN組元易燒蝕，涂層中可磨耗組分因此而變少，進而影響封嚴涂層的綜合可磨耗性，導致涂層在實際服役條件下可能發(fā)生大塊剝落或粘連等現(xiàn)象。

針對此問題，本研究在制備Al/hBN復合粉末的過程中加入枝晶狀電解Cu粉，利用枝晶鑲嵌片狀hBN及黏結劑粘結的雙重方法以降低噴涂過程中非金屬組元的燒損量，并對大氣等離子噴涂 CuAl/hBN涂層的表面洛氏硬度、結合強度及高溫磨損性能與磨損機理進行了分析。作為對比，對原始粉末中未添加樹枝狀Cu粉的Al/hBN涂層的結構和性能也進行了表征和討論。

1 實驗

1.1 涂層的制備

涂層采用黏結層加面層的雙層結構。黏結層用來減小可磨耗面層與鈦合金基體因熱膨脹系數(shù)不匹配所引起的熱應力，增強涂層與基體的結合強度，保證涂層長時間服役的穩(wěn)定性，而且可以提高整個涂層體系的抗氧化腐蝕性能，所用材料為NiAlW合金粉末。面層材料分別為某商用Al/hBN復合粉末以及自制CuAl/hBN復合粉末。Al/hBN粉末中Al與hBN的質量比為4∶1，CuAl/hBN粉末中Cu、Al、hBN的質量比為1∶3∶1，樹枝狀電解銅粉作為復合粉末顆粒的骨架，預混均勻的Al粉和片狀hBN組分充分嵌入銅粉的樹枝間隙內部，保證添加的粉末混合時均勻分布而不容易產生偏析，再通過水玻璃黏結劑填充于顆粒之間的縫隙，將不同組分的固相粉末粘連到一起而成為團聚體，解決了混合粉末組分偏聚造成的涂層組織不均勻問題。圖1a顯示出Al/hBN為hBN包覆Al粉的結構，從圖1b中則可見CuAl/hBN粉末為枝晶狀Cu包束細微Al顆粒及層片狀hBN，其中黑色片狀組織為hBN，灰色球狀物質為細Al粉，亮白色組分為裸露的Cu枝晶?；w采用直徑25.4 mm、高6 mm的TC4圓片，超聲除油后用46#鋯剛玉砂對基體表面進行噴砂處理。噴涂前將粉末置于烘箱中，70 ～ 80 °C烘烤4 h，以增加噴涂時粉末的流動性。采用GTV-MFP-1000型大氣等離子噴涂設備來制備涂層，工藝參數(shù)見表1。先在噴砂基體表面噴涂厚度為120 ～ 150 μm的NiAlW，再在其表面制備厚度分別為300 μm和1 000 μm的可磨耗面層。其中，300 μm厚的涂層用于涂層結合強度測試，1 000 μm厚的涂層用于表面洛氏硬度測試、X射線衍射(XRD)表征及高溫磨損試驗。

圖1 Al/hBN(a)和CuAl/hBN(b)復合噴涂粉末的SEM形貌Figure 1 SEM morphologies of Al/hBN (a) and CuAl/hBN (b) composite powder to be sprayed

表1 等離子噴涂的工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of plasma spraying

1.2 性能表征

采用FEI Quanta200 FEG掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線分析系統(tǒng)(EDX)對復合粉末和涂層進行微觀組織結構分析。采用QUALITEST電動表面洛氏硬度儀測試涂層硬度，以圓片圓心為中心等距選取10個點，測量標尺采用HR15Y，加載時間為5 s，結果取平均值。涂層的結合強度采用對偶件拉伸方法測試，用直徑25.4 mm的FM1000圓形膠片粘合，并放置在190 °C烘箱內烘烤2 h，之后在GP-TS2000M萬能拉伸試驗機上測試涂層的拉伸強度。噴涂態(tài)涂層的物相組成采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析。涂層hBN燒損量表征采用Leco ONH836氮氧儀標定涂層中氮元素質量分數(shù)，根據(jù)化學式的相對原子質量計算硼元素含量。涂層的高溫磨損性能采用UMT高溫摩擦試驗機進行測試，通過制備特定摩擦副，設置恒定軸向力等實驗條件，觀察涂層在低線速度下的磨損情況，定量表征涂層的磨削深度、摩擦副及涂層質量變化等性能指標，其中質量變化為正表示質量增加，為負表示質量減小。測試所用摩擦副材料為TC4鈦合金，正方形截面尺寸為4 mm × 4 mm，倒圓角R= 1 mm，磨損條件設置如下：軸向載荷8.5 N，摩擦半徑9 mm，轉臺轉速500 rad/min，溫度450 °C，加載時間10 min，空氣氣氛。磨損后采用DEKTAK XT 3D輪廓儀表征涂層磨痕表面的起伏情況及磨痕深度。

2 結果與討論

2.1 涂層的組織結構

粉末顆粒在經過熔融、撞擊基體、鋪展并急速冷卻、凝固的過程后，沉積在TC4鈦合金基體或已沉積涂層的表面。Al/hBN和CuAl/hBN涂層的SEM截面形貌及元素分布如圖2所示。結合圖3所示涂層的XRD分析結果可知：圖2a白色區(qū)域的成分為金屬Al，黑色區(qū)域為hBN與孔隙；圖2b亮白色區(qū)域的成分為金屬Cu，灰白色區(qū)域為金屬Al，黑色區(qū)域為hBN與孔隙。

圖3 封嚴涂層的XRD譜圖Figure 3 XRD patterns of abradable seal coatings

在大氣等離子噴涂工藝中，粉末顆粒熔融效果主要由噴涂功率決定。對 Al/hBN涂層而言，在合理控制hBN燒損比的前提下，噴涂功率不宜過高，導致在噴涂時，部分支撐涂層力學性能的金屬顆粒在等離子焰流中熔融不充分，生成如圖2a中A區(qū)所示的大塊未熔顆粒。在粉末沉積后，金屬相的未熔區(qū)與熔融區(qū)發(fā)生交錯分布，加劇了涂層中hBN與孔隙不均勻分布的程度。非金屬組元尺寸更加不均，不利于涂層磨耗性能的提高。表2顯示了Al/hBN和CuAl/hBN原始粉末及涂層中非金屬hBN組分的含量。CuAl/hBN涂層的hBN燒損比遠小于 Al/hBN涂層，表明了枝晶狀 Cu的包覆對 hBN組元的保護效果顯著。進一步觀察圖 2b可發(fā)現(xiàn)，CuAl/hBN涂層中Al、B、N的分布更加彌散均勻，這是由于復合粉末中選用的 Al顆粒更加細小，在焰流中熔融效果更為充分，同時由于添加的枝晶Cu對hBN和Al有良好的包束作用，因此在涂層噴涂過程中保證了hBN 組元可以擁有更小的燒損量，更多的非金屬相及生成的孔隙細小、均勻、彌散地分布在金屬相周圍，進一步鞏固了封嚴涂層磨耗性能的穩(wěn)定性。

表2 Al/hBN和CuAl/hBN粉末及涂層中非金屬hBN的含量Table 2 Content of non-metallic hBN in Al/hBN and CuAl/hBN powders and coatings

圖2 噴涂態(tài)封嚴涂層的截面形貌及元素分析Figure 2 Cross-sectional morphology and elemental analysis of as-sprayed abradable seal coatings

2.2 涂層的力學性能

如圖4所示，添加Cu后涂層的結合強度略有降低。在拉伸試驗中，hBN與孔隙作為脆性相和缺陷，涂層的裂紋會由此處萌生及擴展。從之前對圖2b的分析結果可知，CuAl/hBN涂層截面非金屬組元分布較為彌散均勻。當在外部施加載荷時，涂層內部萌生的裂紋受到的阻礙更小，更易在涂層的層間擴展延伸。而在Al/hBN涂層中，由于存在較大的未熔顆粒，hBN與孔隙分布受到限制，涂層無法沿徑向獲得連續(xù)均勻的非金屬組織形態(tài)，導致裂紋在擴展過程中易受到未熔金屬相的阻礙，宏觀上造成了Al/hBN涂層的結合強度大于CuAl/hBN涂層。

與Al/hBN涂層相比，CuAl/hBN涂層的硬度有所提高，但變化幅度不大。由于Cu的熔點和硬度顯著高于Al，當噴涂功率較低時，部分枝晶Cu不會充分熔融，樹枝狀結構有利于持續(xù)包裹嵌入其中的微細鋁粉和hBN顆粒，抑制了Cu與Al發(fā)生相變的比例及程度。因此在引入Cu組分之后，涂層的平均表面洛氏硬度雖有提高，但幅度可控。同時，添加枝晶Cu后的涂層組織更加彌散均勻，微觀上降低了由hBN及孔隙形成的缺陷集中分布而造成的組織硬度差異，反映在宏觀硬度測試中，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性得到進一步加強，如圖 4中Al/hBN涂層硬度的誤差棒大于CuAl/hBN涂層。涂層硬度波動的降低更有利于涂層整體宏觀使用性能的控制，增強涂層在服役過程中的穩(wěn)定性。

圖4 涂層表面洛氏硬度及結合強度Figure 4 Surface Rockwell hardness and bonding strength of abradable seal coatings

2.3 涂層的高溫耐磨損性能

表3給出了涂層在450 °C下摩擦磨損測試的結果。對比兩種涂層的磨痕寬度和涂層及摩擦副質量變化可知，在相同的測試條件下CuAl/hBN涂層的刮削程度更小，這在添加Cu后的涂層表面洛氏硬度高于Al/hBN涂層中也能夠體現(xiàn)出來；另外，Al/hBN涂層在磨損后有更嚴重的質量損失，且有部分涂層轉移至摩擦副上面，而摻雜枝晶Cu后的涂層質量變化更小，摩擦副的質量也幾乎不變。因此CuAl/hBN涂層更加耐磨，且對磨頭的保護要優(yōu)于預期。

表3 高溫磨損試驗中涂層及摩擦副的質量變化Table 3 Variation in mass of coatings and friction pair in high-temperature wear test

由于本測試對摩擦副接觸面形狀作了改進，因此相較于使用球狀摩擦副時，涂層的磨損有一定程度的放大。由圖5可見，Al/hBN涂層的磨痕呈現(xiàn)明顯的片層狀涂抹態(tài)，存在較為明顯的切削痕跡，且片層狀基本由鋁元素構成，起到磨耗性的hBN組元則分布于涂抹后的片層狀周圍。據(jù)此可判斷Al/hBN涂層在磨損過程中以黏著磨損機制為主。而CuAl/hBN涂層上可以清晰地看到切削和犁削的痕跡，同時伴有少量磨損顆粒留存。從圖6所示CuAl/hBN摩擦磨損后的XRD譜圖可知，涂層在摩擦磨損期間生成了Al2Cu、CuO等金屬氧化物雜質相，由此判斷CuAl/hBN涂層以磨粒磨損機制為主，同時伴有少量的氧化磨損。對圖5b中微區(qū)D處的山脊形狀磨痕放大可看到凸起的部分為粉末中的枝晶Cu，凹陷部分為Al，磨痕摩擦路徑末端以及磨粒周圍伴有少量的hBN。

圖5 Al/hBN涂層磨痕形貌(a)、CuAl/hBN涂層磨痕形貌(b)、Al/hBN涂層背散射磨痕形貌(c)、CuAl/hBN磨痕局部形貌(d)Figure 5 Morphology of scar on Al/hBN coating (a), morphology of scar on CuAl/hBN coating (b), backscattered morphology of scar on Al/hBN coating (c), and morphology of local area of scar on CuAl/hBN coating (d)

圖6 封嚴涂層摩擦磨損試驗后的XRD譜圖Figure 6 XRD patterns of abradable seal coatings after friction and wear test

圖7a和圖7c所示的三維表面輪廓形貌為兩種涂層穩(wěn)定磨損的局部區(qū)域，從中可見Al/hBN磨痕表面的起伏較為劇烈，而CuAl/hBN的磨痕表面起伏較小，表明CuAl/hBN涂層在磨耗過程中具有更穩(wěn)定的可刮削性；圖7b和圖7d中顯示Al/hBN和CuAl/hBN涂層磨痕深度分別達到了400 μm和120 μm，在相同的實驗條件下CuAl/hBN擁有更淺的磨痕，磨損程度也更小，表明它更耐磨耗。

圖7 涂層局部磨痕的三維表面輪廓圖：(a)Al/hBN磨痕；(b)Al/hBN磨痕深度；(c)CuAl/hBN磨痕；(d)CuAl/hBN磨痕深度Figure 7 Three-dimensional surface profiles of local wear scars on coatings: (a) topograph of Al/hBN wear scar;(b) depth of Al/hBN wear scar; (c) topograph of CuAl/hBN wear scar; and (d) depth of CuAl/hBN wear scar

從涂層在低速條件下的磨耗性能比較可知，CuAl/hBN涂層的綜合性能優(yōu)于Al/hBN涂層。Al/hBN涂層中控制力學性能的主要金屬成分為Al，雖然單一金屬在理論上能夠較好地控制涂層的力學性能，但封嚴涂層磨耗性能的影響因素較為復雜，在實際磨耗環(huán)境下決定涂層磨耗性能好壞的關鍵之一是涂層內起到刮削作用的非金屬相與孔隙等組織的成分含量及形態(tài)的整體分布。Al/hBN封嚴涂層中不均勻分布的 hBN組元在摩擦副刮削過程中會優(yōu)先發(fā)生相對滑動，從而造成了磨痕表面局部區(qū)域的低坑與高峰落差較大，增大了磨痕表面的粗糙度，該組織形貌在動態(tài)的刮削摩損過程中進一步加快了涂層的刮削頻率，降低了封嚴涂層的使用壽命。而在CuAl/hBN封嚴涂層中，彌散均勻的hBN及孔隙分布使得涂層的磨痕表面波動起伏得到緩解，因此涂層在刮削過程中的磨耗更加穩(wěn)定。不同于Al/hBN涂層中只存在一種金屬元素，CuAl/hBN涂層中引入了枝晶Cu，由于涂層與磨頭的劇烈相對運動會令摩擦熱短時間內大量積聚，摩擦接觸面處的局部溫度會明顯高于450 °C，達到Cu與Al的相變點后導致了硬質Al2Cu相的生成，并附著在枝晶Cu周圍。在涂層與摩擦副相互作用過程中，Al2Cu硬質相作為重要的耐磨組分[16]，可以與Al元素組成不同硬度梯度的耐磨成分，減緩和穩(wěn)定涂層刮削的進度，從而改善涂層的可磨耗性。除此之外，宏觀表現(xiàn)上CuAl/hBN涂層刮削后損失的質量大多以細小磨屑的形式丟失，且作為摩擦副的TC4磨頭上基本不存在涂層粘附轉移；而Al/hBN在磨損過程中涂層的質量損失較多，也有較多轉移至磨頭。在實際服役條件下，過量的涂層粘附轉移至葉尖表面會影響到葉片動平衡及發(fā)動機運行的穩(wěn)定性，繼而加劇涂層的磨耗，縮短發(fā)動機的維護周期。

3 結論

(1) CuAl/hBN粉末中枝晶Cu對Al和hBN的包覆效果良好。相較于Al/hBN，CuAl/hBN噴涂過程中hBN組元的燒蝕程度更小，涂層內部的hBN組元及孔隙分布更加連續(xù)，且組織成分更加彌散均勻。

(2) 相較于Al/hBN涂層，CuAl/hBN涂層的結合強度略有下降，表面洛氏硬度小幅提高且起伏更加平穩(wěn)。

(3) 低線速度刮削磨損實驗中，在相同實驗加載下，CuAl/hBN封嚴涂層的質量損失更小，摩擦副上的涂層質量轉移更少，磨痕的表面起伏也更小，可磨耗性更加優(yōu)異。