佘定君，李衛(wèi)俠，康飛遠，劉通

（1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，株洲 412002；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；）

0 引言

直升機傳動系統(tǒng)是直升機非常重要的組成部分，在滿足傳動功能要求的同時也必須具備重量輕、體積小、可靠性高、傳遞效率高、總壽命長、干運轉(zhuǎn)特性好等諸多特殊性能要求[1]，行星齒輪傳動系統(tǒng)因具有大傳動比、強承載能力、高扭矩質(zhì)量比、高傳動效率、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點[2]，在直升機傳動系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。傳遞功率在多個行星輪之間的均勻分配，由于不可避免存在制造、安裝誤差以及構(gòu)件變形等因素影響，致使各行星輪的載荷分配存在一定的不均勻性和磨損[3]。為了克服磨損，通常在各接觸部位噴涂減磨功能涂層[4]。

涂層耐磨性能是減磨功能涂層的關(guān)鍵性能之一，是指涂層表面抵抗某種機械作用的能力，與涂層的硬度、附著力、柔韌性等其它物理性能密切相關(guān)，通常采用砂輪研磨、砂粒沖擊、旋轉(zhuǎn)摩擦橡膠輪法等方法測定涂層的耐磨性能，以失重法或轉(zhuǎn)數(shù)法評價耐磨性能[5]。對于一般考核試片級涂層耐磨性能是通過擺動磨損試驗，用磨痕寬度計算體積磨損或用稱重法測定質(zhì)量磨損來進行評定，常用于涂層試樣的工藝試驗。為獲取真實工況環(huán)境下的涂層性能數(shù)據(jù)，應(yīng)對涂層典型零件的耐磨性能考核，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點、涂層位置、受載及位移、使用潤滑環(huán)境等因素，先后進行典型件零件級、部件級及整機試驗驗證。鋁青銅-聚苯酯涂層是一種高性能減磨功能涂層，具有抗接觸磨損、抗氣蝕和抗干摩擦等特性，是防止零部件表面疲勞磨損、減少裝配件黏連，提高部件可靠性和使用壽命的關(guān)鍵涂層[6,7]，國外已用作典型耐微動減磨涂層，國內(nèi)對于該種涂層的耐磨性能研究較少[8]。

本文采用整機臺架試驗考核的方法對鋁青銅-聚苯酯典型件涂層進行檢測，通過外觀、磨損量等結(jié)果的分析，研究了涂層的耐磨性能，為鋁青銅-聚苯酯涂層的使用和新型耐磨涂層的設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用礦冶科技集團有限公司研制的鋁青銅-聚苯酯復(fù)合粉末（牌號KF-1301）為試驗材料，該粉末以銅鋁合金粉和聚苯酯為原材料，通過“團聚復(fù)合+機械混合”工藝制備為復(fù)合粉末，粉末化學成分和物性如表1 所示，粉末形貌如圖1 所示。

圖1 鋁青銅-聚苯酯復(fù)合粉末微觀形貌照片：(a) 低倍；(b) 高倍Fig.1 Micromorphology of CuAl-PHB composite powder: (a) low magnification; (b) high magnification

表1 鋁青銅-聚苯酯粉末化學成分和物理性能Table 1 The chemical composition and physical properties of CuAl-PHB powder

本試驗采用大氣等離子噴涂工藝在典型零件支承環(huán)上制備鋁青銅-聚苯酯耐磨涂層，噴涂工藝參數(shù)如表2所示，典型件涂層示意圖如圖2所示。試驗前外觀檢查涂層完好無損壞，涂層表面完整、致密、顏色均勻一致，無裂紋、剝落、分層、邊緣翹起及磨削加工引起的燒傷等缺陷，涂層厚度為0.10 mm 以上。

圖2 支承環(huán)減磨涂層示意圖Fig.2 Wear-reduction coating of locking plate

表2 鋁青銅-聚苯酯復(fù)合粉末噴涂工藝參數(shù)Table 2 Parameters of spraying CuAl-PHB powder

1.2 涂層性能表征

采用Hitachi SU5000 型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析粉末和涂層的顯微組織形貌，使用Image J 軟件測量涂層橫截面的孔隙率數(shù)值。涂層硬度試樣經(jīng)過砂紙打磨后，依照HB 5486 采用MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀檢測HR15Y。涂層的結(jié)合強度采用粘結(jié)拉伸法測試，將粗磨后的試樣與預(yù)噴砂的對接件采用FM-1000高溫膠片粘結(jié)，190 ℃、保溫2 h 的條件下固化；在WDW-100A 型微機控制電子式萬能試驗機上進行測試；涂層厚度為0.5～0.6 mm 拉斷時單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強度，并對斷口進行宏觀觀察，確定涂層斷裂方式，為了保證實驗結(jié)果的可靠性，每組實驗均采取3 個試樣進行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。

1.3 臺架試驗方法及耐磨性能評價

整機臺架考核試驗是將帶有鋁青銅-聚苯酯涂層的支承環(huán)典型件裝配到行星輪系主減速器整機臺架上進行模擬工況的試驗考核，主要試驗參數(shù)：轉(zhuǎn)速20000 r/min，輸入扭矩800 N·m，滑油溫度90～100 ℃，滑油壓力0.2～0.3 MPa，運行時間50 h。

通過測量鋁青銅-聚苯酯典型零件試驗后涂層表面的磨損厚度評價涂層耐磨性能，磨損厚度可包括涂層平均磨損厚度、最大磨損部位的磨損厚度、出現(xiàn)磨損部位的平均厚度等；同時通過目視檢查及體視顯微鏡檢查涂層外觀損傷情況。

本文采用的典型零件支承環(huán)的剛性較差，各部位磨損量不一致，目視可看出只有局部出現(xiàn)磨損，且預(yù)估磨損量不超過0.01 mm，故采用精度0.001 mm 的三坐標測量機進行測量，如圖3 所示，規(guī)定支承環(huán)試驗前后涂層部位的準確測量位置，每個支承環(huán)選定為軸向均布9 個位置的厚度進行測量，如圖4 所示。將試驗前后的測量結(jié)果進行整理，計算出所有位置測量點的磨損量平均值、出現(xiàn)磨損部位的磨損量平均值及磨損嚴重部位的磨損量平均值。

圖3 三坐標測量涂層磨損部位的厚度值Fig.3 Measuring the thickness of coating locality by using COMERO

圖4 支承環(huán)涂層部位測量位置Fig.4 Measuring positions of the locking plate coating locality

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀形貌、硬度及結(jié)合強度

采用大氣等離子噴涂工藝制備的鋁青銅-聚苯酯涂層微觀形貌如圖5(a)所示，涂層組織均勻，整體結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀，其中灰色區(qū)域為金屬相，黑色區(qū)域為聚苯酯與涂層孔隙，孔隙率為15.18%。考核試驗后涂層微觀組織形貌如圖5(b)所示，臺架考核試驗后涂層仍保持蜂窩狀，微觀組織形貌、孔隙率為15.84%，無明顯變化，說明考核試驗對涂層微觀組織無明顯影響。

圖5 涂層顯微形貌：(a)噴涂態(tài)；(b)考核后Fig.5 Microstructure of coatings: (a) as-spayed; (b) after test

按照表2 所示的熱噴涂工藝參數(shù)制備鋁青銅-聚苯酯涂層，測試涂層硬度和結(jié)合強度結(jié)果分別列于表3、表4，拉伸結(jié)果均為100%涂層內(nèi)斷裂。由表3、表4 數(shù)據(jù)可知，本試驗所制備的鋁青銅-聚苯酯涂層的硬度平均值89.6 HR15Y，結(jié)合強度≥22.3 MPa，能滿足減磨功能涂層硬度與結(jié)合強度的良好匹配。

表3 鋁青銅-聚苯酯涂層硬度結(jié)果Table 3 Hardness of Coatings

表4 鋁青銅-聚苯酯涂層結(jié)合強度Table 4 Bonding Strength of Coatings

2.2 目視檢測

考核試驗后目視檢查支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層外觀情況，涂層部位完整、光滑，無開裂、剝離、剝落、嚴重磨損等異常情況，分析支承環(huán)是通過最外周均布的4 組螺栓對其進行固定及支承，支承環(huán)直徑較大，徑向?qū)挾戎挥胁坏?0 mm，總體厚度只有6.5 mm 左右，總體軸向剛度較小，故試驗后目視檢查支承環(huán)整圈涂層部位，只在均布4 處螺栓固定的附近涂層表面部位出現(xiàn)較明顯的磨損，見圖6 所示。

圖6 支承環(huán)試驗后涂層磨損情況Fig.6 Abrasion status of locking plate coating after test

2.3 體視顯微鏡檢測

通過體視鏡對試驗后的支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層進行檢查，未發(fā)現(xiàn)涂層開裂、剝離、剝落、嚴重磨損等異常情況，涂層局部表面出現(xiàn)微量磨損現(xiàn)象，磨損部位呈褐色（見圖7(a)）；放大20 倍可見局部凹凸不平的磨損現(xiàn)象（見圖7(b)），屬于正常的磨損情況。

圖7 體式顯微鏡檢測：(a)正常磨損情況（7 倍）；(b) 凹凸不平的紅褐色磨損痕跡情況（20 倍）Fig.7 Stereoscop morophology: (a) natural abrasion status(7X); (b) rufous and accidented trace of the abrasion position (20X)

2.4 磨損量測量

本文對試驗前后支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層的厚度進行測量，計算左、右支承環(huán)的平均磨損量及磨損位置的平均磨損量，結(jié)果見表5 所示。從表5 可以看出，支承環(huán)左環(huán)試驗前的9 個測點的均值為6.516 mm，厚度最大值為6.550 mm（⑨號位置），厚度最小值為6.483 mm（③號位置），厚度最大值與最小值相差達到0.067 mm；右環(huán)試驗前的9 個測點的均值為6.527 mm，厚度最大值為6.551 mm（⑤號位置），厚度最小值為6.493 mm（⑦號位置），厚度最大值與最小值相差0.058 mm，分析原因是由于支承環(huán)的剛度小、出現(xiàn)較大變形造成的。

表5 支承環(huán)涂層部位試驗前后測量結(jié)果對比Table 5 Contrast of fore-and-aft measuring results of the locking plate coating locality

鋁青銅-聚苯酯支承環(huán)典型件左環(huán)試驗后的9 個測點的均值為6.515 mm，厚度最大值為6.547 mm（仍為⑨號位置），厚度最小值為6.483 mm（仍為③號位置），厚度最大值與最小值相差0.064 mm，單個測點的試驗前后最大差值（即局部點磨損量）為0.006 mm（⑤號位置）；右環(huán)試驗后的9 個測點的均值為6.525 mm，厚度最大值為6.547 mm（仍為⑤號位置），厚度最小值為6.493 mm（仍為⑦號位置），厚度最大值與最小值相差0.054 mm，單個測點的試驗前后最大差值為0.005 mm（①和⑨號位置）。

2.5 耐磨性能分析

對比整機考核試驗前、后支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層外觀和磨損厚度的測量數(shù)據(jù)可知：(1)試驗后測量支承環(huán)涂層部位厚度值，發(fā)現(xiàn)只在均布4 處存在明顯磨損痕跡，該處接觸位置的涂層厚度變化量較大，即支承環(huán)試驗過程中并不能使整個涂層表面出現(xiàn)均勻一致的磨損量；(2) 支承環(huán)對應(yīng)同樣測量部位的前后測量厚度差值，即局部點的磨損量，左環(huán)最大磨損量為0.006 mm（為⑤號位置），右環(huán)最大磨損量為0.005 mm（為①和⑨號位置），該位置均是支撐區(qū)域，更容易磨損；(3) 左、右環(huán)最小磨損量為0（左環(huán)③號位置和右環(huán)⑦號位置），前后差值出現(xiàn)負值的左環(huán)②位置-0.001 mm 及右環(huán)②位置-0.002 mm，分析是前后測量點位置誤差造成的，上述計量沒有磨損量的位置與目視檢查未出現(xiàn)磨損的情況一致。

本文從4 個方面研究分析了支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層的磨損量：(1) 考慮左、右環(huán)的9 個測量點的平均磨損量分別為0.001 mm 和0.002 mm；(2) 只考慮出現(xiàn)磨損的部位，左、右環(huán)測量點的平均磨損量均為0.003 mm；(3)只考慮支承部位，即出現(xiàn)最嚴重磨損的①、⑤和⑨號三個位置，左環(huán)平均磨損量為0.004 mm，右環(huán)平均磨損量為0.005 mm；(4) 只考慮磨損最嚴重的局部位置點，左環(huán)最大磨損量為0.006 mm，右環(huán)最大磨損量為0.005 mm。

因典型件支承環(huán)尺寸大、剛性差，局部支承部位才會接觸上形成摩擦副并產(chǎn)生磨損，測量時存在測量點的位置（包括軸向和徑向）誤差，綜合評價鋁青銅-聚苯酯涂層的耐磨性能，從構(gòu)件失效判定準則而言，應(yīng)以出現(xiàn)涂層磨損最嚴重位置的磨損量作為評判結(jié)果較為合理。

3 結(jié)論

(1) 本文采用大氣等離子噴涂工藝在典型零件支承環(huán)上制備了鋁青銅-聚苯酯耐磨涂層，涂層硬度89.6 HR15Y，結(jié)合強度25.5 MPa，涂層組織均勻、孔隙率為15.18%；

(2) 本文將高性能減磨功能鋁青銅-聚苯酯涂層典型試驗件裝配于主減速器進行整機臺架試驗，試驗條件為轉(zhuǎn)速20000 r/min，輸入扭矩800 N·m，滑油溫度90～100℃，滑油壓力0.2～0.3 MPa，運行時間50 h，采用目視和體視顯微鏡檢查臺架試驗后的典型件涂層外觀狀態(tài)，通過高精度三坐標測量方法計算涂層的磨損量，臺架考核試驗結(jié)果表明，典型件鋁青銅-聚苯酯涂層完整、光滑，無開裂、剝離、剝落，涂層磨損最嚴重位置的磨損量僅為0.006 mm，涂層耐磨性能優(yōu)異。