張眸睿，常秋梅，李長銀，梁 瑛，楊 霖

(1. 中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司，遼寧 沈陽 110043；2. 北京航空航天大學航空發(fā)動機學院，北京 100191)

0 前 言

封嚴技術一直是決定航空發(fā)動機工作性能的重要因素。先進的封嚴技術能減少發(fā)動機內部氣流的泄漏量，增加發(fā)動機推重比，降低耗油率，提高發(fā)動機效率[1，2]。據研究表明，封嚴泄漏量減少1%，可使發(fā)動機推力增加1%，耗油率降低0.1%[3]。篦齒封嚴屬于常用的一種非接觸式封嚴方式，為了提高封嚴效果，通常將篦齒對磨的外環(huán)表面設計成金屬蜂窩密封團結構，或在外環(huán)上噴涂可磨耗封嚴涂層(如Al/BN、AgCu等)，從而減少篦齒齒頂與外環(huán)間的間隙，降低泄漏量，提高發(fā)動機效率。當外環(huán)為蜂窩結構時，篦齒與蜂窩對磨產生摩擦磨損，會導致篦齒永久變形，造成泄漏量加大，從而加快發(fā)動性能衰退，而且磨損物有打傷葉片的風險[4]。

Al2O3·TiO2系列涂層熔點為2 200 ℃左右，通常采用等離子噴涂制備，其化學性能穩(wěn)定，硬度高，耐磨性好，是目前應用最為廣泛的一種陶瓷涂層[5-7]。不同種類Al2O3·TiO2粉末成分、制備方式的不同，所得涂層的性能及使用溫度也各不相同。通常將使用溫度在1 100 ℃以下的Al2O3·TiO2涂層應用在航空發(fā)動機篦齒上，以防止篦齒受損，提高零件使用性能。生產中用于篦齒上的Al2O3·TiO2涂層主要有Metco 101B-NS、AMDRY 187、PAC 710B、ALO-159以及北京礦冶集團制備的國產Al2O3·TiO2粉末。目前關于該類涂層性能及在實體件中的應用報道較少，為此，本工作以某型機用到的Metco 101B-NS牌號的Al2O3·TiO2涂層為例，通過噴涂試片，進行了涂層綜合性能分析，基于試驗結果進行了實體零件篦齒的噴涂，驗證了噴涂效果。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試片基體材料選用和零基體一致的高溫合金鋼GH4169。顯微組織試片尺寸為40 mm× 20 mm× 2 mm，結合強度試片尺寸為25 mm× 2 mm，彎曲試片尺寸為100.0 mm×20.0 mm×1.2 mm，GH4169化學成分如表1所示。

表1 高溫合金鋼GH4169化學成分(質量分數) %Table 1 Chemical composition of Superalloy steel GH4169(mass fraction) %

在制備Al2O3·TiO2涂層前，需要在基體上先噴涂自粘結底層，本工作選用Metco 450NS (Ni-Al)粉末制備，粉末化學成分如表2所示。面層采用Metco 101B-NS (Al2O3·TiO2)粉末，化學成分如表3所示。

表2 Metco 450NS化學成分(質量分數) %Table 2 Chemical composition of Metco 450NS powder (mass fraction) %

表3 Metco 101B-NS 化學成分(質量分數) %Table 3 Chemical composition of Metco 101B-NS powder (mass fraction) %

1.2 涂層制備

噴涂前，先用丙酮對試片進行清洗除油，再用36目白剛玉砂對試片表面進行吹砂粗化，吹砂風壓為0.3 MPa，然后用壓縮空氣吹除試片表面的浮灰。采用大氣等離子噴涂設備PT-A2000進行底、面層的制備。為了保證噴涂質量，通常底層與面層應在吹砂后分次在間隔2 h內進行，噴涂面層應在噴涂底層后2 h內進行。主氣及送粉氣為氬氣，次氣為氫氣，底面層噴涂工藝參數見表4。由于篦齒噴涂區(qū)為斜面，零件噴涂時，無法實現90°垂直噴涂，因此試片噴涂時也采用與零件一致的噴涂角度60°。

表4 等離子噴涂工藝參數Table 4 Plasma spraying process parameters

1.3 涂層性能測試

1.3.1 顯微組織

將噴涂后的試片切割、打磨、拋光后置于光學顯微鏡下，對涂層截面顯微組織分析。

1.3.2 顯微硬度

參考HB 5486進行顯微硬度測試，將制備好的試樣置于顯微硬度計下，在5 N負荷下，選取10個點分別測量Al2O3·TiO2面層的顯微硬度。

1.3.3 結合強度

涂層的結合強度是涂層重要的力學性能之一。對于耐磨涂層，其關系到強化零件使用的可靠性，涂層結合強度不良會引起涂層的剝落，影響其對篦齒的保護，而且脫落的涂層很可能打傷葉片。本次拉伸試驗參考HB 5476進行，以1 mm/min的恒定速率施加載荷，直到涂層發(fā)生斷裂。

1.3.4 彎曲性能

彎曲試驗通常用于評價涂層塑形變形和結合強度的綜合性能。該測試根據企業(yè)涂層驗收標準進行，彎曲試驗采用的支撐軸直徑為12.7 mm，加壓支點移動速度為1～2 mm/min，彎曲角度大于85°。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織分析

涂層試樣的顯微組織形貌如圖1所示。通過長度法(界面夾雜占整個界面總長度的比例)，測量得出底層與基體界面污染率為8%。通過面積法(特征區(qū)占整個視場面積的比例)，測量得出Ni-Al底層未熔顆粒含量為5%，Al2O3·TiO2未熔顆粒含量為1%，面層孔隙率為4%。

2.2 顯微硬度測試結果

顯微硬度測量結果見表5?？梢娡繉佑捕戎捣植荚?17～882 HV之間，平均值約為810 HV，涂層硬度顯然高于基體硬度(300 HV左右)。由此表明，通過等離子噴涂方法得到的Al2O3·TiO2涂層能顯著提高篦齒硬度及耐磨性，有效保護篦齒，減小磨損。

表5 涂層不同位置顯微硬度值Table 5 Microhardness values at different positions of coating

2.3 結合強度測試結果

圖2為涂層拉斷界面圖，前2組斷裂面主要為面層之間，第3組存在面層間、底層間2種斷裂。根據拉伸結果，通過計算得出3個試驗件涂層結合強度分別為19.2，20.8，20.2 MPa，平均值為20.1 MPa。

2.4 彎曲性能

試片涂層彎曲試驗結果如圖3所示。從圖中可以看出，3組試片彎曲后均無裂紋，無剝落，表明涂層與基體的結合狀態(tài)良好。

3 零件噴涂驗證

基于以上試驗結果，采用報廢的篦齒封嚴盤進行零件噴涂驗證，噴涂后的零件篦齒如圖4所示，涂層呈均勻的灰色，無過燒變色，涂層無裂紋、翹起及剝落現象。

分別選取所噴零件篦齒部分的2個不同位置A、B切割取樣并進行金相分析，篦齒截面分別如圖5、6所示。從50倍的金相組織圖(圖5a，6a)中可以看出，齒尖涂層厚度略大，篦齒兩端涂層厚度分布均勻，這是由篦齒的特殊形狀決定的。從200倍的金相組織圖(圖5b，6b)中可以看出，涂層的顯微組織與試片上的基本一致，涂層界面干浄，未熔顆粒少，面層孔隙率小，表明本研究選用的工藝參數合理，所噴涂涂層性能良好，能很好地對篦齒起到保護作用。

采用本研究選擇的工藝參數對真實篦齒零件進行了噴涂，并在某型號發(fā)動機上參加了裝機試車考核，發(fā)動機分解后對零件進行檢查，涂層未發(fā)生脫落、掉塊等缺陷，篦齒基體得到了良好的保護，未發(fā)生任何磨損。

帶有Al2O3·TiO2陶瓷涂層的篦齒零件在經歷過一個壽命周期后，還可以進行返修，將零件表面涂層去除后再次噴涂，零件可繼續(xù)裝機使用，大大提高了零件的使用壽命，減少了因更換篦齒零件導致的發(fā)動機修理成本。

4 結 論

等離子噴涂的Al2O3·TiO2陶瓷涂層具有良好的綜合性能。涂層的結合強度好，硬度高，且涂層孔隙率小，未熔顆粒少，耐磨性好，用于航空發(fā)動機篦齒封嚴類零件，能有效保護篦齒，防止篦齒磨損，并提高零件的使用性能，延長使用壽命。