劉通，于月光，沈婕，劉建明，魯秋源

（1.北京礦冶研究總院，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）

航空工業(yè)的迅速發(fā)展對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了越來越高的要求，大推力、高效率和低油耗已成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造的總體目標(biāo)。國(guó)內(nèi)外借助數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究的手段，分析了葉尖與機(jī)匣間隙對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的影響。漆文凱等人[1]的研究指出，葉尖間隙與葉高之比每增加0.01，會(huì)引起壓氣機(jī)或渦輪效率降低約0.8%～1.2%；會(huì)使雙轉(zhuǎn)子渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率增加約2%；Scott B.Lattime[2]等人分析認(rèn)為，高壓渦輪葉尖間隙每減少0.254mm，油耗率約降低1%，排氣溫度約減少10℃。因此減小壓氣機(jī)、渦輪機(jī)葉尖與機(jī)匣之間的間隙是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要手段。

封嚴(yán)涂層由于其具有抗高溫氧化、抗腐蝕、硬度低、可磨耗好等優(yōu)點(diǎn)，被引入作為“犧牲型”材料用于減少間隙。AlSi/hBN封嚴(yán)涂層是中低溫應(yīng)用環(huán)境中的典型封嚴(yán)材料，主要用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的高壓壓氣機(jī)段。AlSi金屬骨架相中，Al的存在降低了剪切強(qiáng)度[3]，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。六方氮化硼具有良好的潤(rùn)滑性能，抗氧化性和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)越的綜合性能，使其非常適合用作可磨耗封嚴(yán)涂層材料中的可磨耗相。

封嚴(yán)涂層磨損過程的研究是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，采用模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高速工況的可磨耗試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究是目前發(fā)展的主要趨勢(shì)。英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的J. Stringer 和M.B.Marshall[4]采用試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同參數(shù)條件下的AlSi/BN涂層和Ti合金葉片摩擦副進(jìn)行刮削試驗(yàn)，認(rèn)為在高速摩擦過程中進(jìn)給速率的變化對(duì)涂層表面形貌的影響更為顯著，并且表現(xiàn)出的典型磨耗機(jī)制有微撕裂、過熱以及粘著轉(zhuǎn)移。M. Bounazef和S.Guessasma[5]對(duì)熱處理前后的AlSi/hBN涂層進(jìn)行模擬工況的刮削試驗(yàn)，對(duì)刮削前后葉片高度變化進(jìn)行測(cè)量分析，并且繪制了摩擦磨損圖。

前述對(duì)AlSi/hBN封嚴(yán)涂層可磨耗性的研究主要是在室溫條件下進(jìn)行的，與實(shí)際高溫工況有較大的差別，本文使用北京礦冶研究總院研制的高溫超高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)，在450℃涂層實(shí)際服役溫度條件下，研究了進(jìn)給速率對(duì)AlSi/hBN封嚴(yán)涂層和TC4模擬葉片可磨耗性和磨損機(jī)理的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

采用的模擬葉片為Ti-6Al-4V，主要化學(xué)成分和性能參數(shù)見表1和表2。采用電火花線切割加工，葉尖高度3mm，厚度為0.7mm，寬度為10mm，經(jīng)丙酮超聲波清洗后吹干備用。

表2 鈦合金TC4的力學(xué)性能Table2 Mechanical properties of titanium alloy of TC4

實(shí)驗(yàn)選用北京礦冶研究總院研制的AlSi/hBN復(fù)合粉末制備涂層，等離子噴涂基體采用Ti-6Al-4V，表面經(jīng)丙酮清洗后，用850μm白剛玉進(jìn)行噴砂粗化處理，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噴槍進(jìn)行等離子噴涂。AlSi/hBN粉末化學(xué)成分及噴涂后涂層常規(guī)力學(xué)性能如表3和表4所示。其中，結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量結(jié)果為涂層內(nèi)部層間結(jié)合力的值。

表3 AlSi/hBN粉末化學(xué)成分Table 3 The Chemical element of AlSi-hBN powder /%

表4 AlSi/hBN涂層力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of AlSi-hBN coating

北京礦冶研究總院研制的BKY-HVT300/800型高溫超高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)，輪盤轉(zhuǎn)速最高為15000RPM，線速度達(dá)到310m/s，進(jìn)給速率為5～500μm/s，最高試驗(yàn)溫度可達(dá)800℃。本試驗(yàn)在溫度為450℃、進(jìn)給深度500μm條件下，對(duì)不同參數(shù)條件下的AlSi/BN封嚴(yán)涂層和Ti-6Al-4V葉片摩擦副進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)條件參數(shù)如表5所示。

表5 試驗(yàn)參數(shù)表Table 5 The parameters of the tests

對(duì)試驗(yàn)后涂層和葉片磨痕采用Zeiss SteREO Discovery V20型體式顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌分析，采用FEI Quanta 600型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀形貌，并用能譜儀（EDS）和X射線衍射（XRD）進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)給速率對(duì)宏觀形貌的影響

刮削試驗(yàn)后AlSi/hBN涂層和TC4葉片宏觀形貌如圖1所示，由圖可見所有試驗(yàn)參數(shù)下，涂層和葉片都發(fā)生了不同程度的磨損。低進(jìn)給速率時(shí)，AlSi/hBN涂層磨痕表面是寬且深的凹槽，并且在局部可以觀察到由于過熱而使磨痕表面被燒黑的現(xiàn)象，對(duì)磨葉片發(fā)生嚴(yán)重的磨損，葉尖參差不齊；當(dāng)進(jìn)給速率為50μm/s時(shí)，涂層磨痕表面較為平整，對(duì)磨葉片僅在一端有較淺的溝槽；高進(jìn)給速率時(shí)，涂層磨痕表面整體較為平整，僅在局部有微小的斷裂現(xiàn)象，而對(duì)磨的葉片表面十分平整。

圖1 AlSi/hBN涂層和TC4葉片宏觀形貌Fig.1 Optical wear maps of AlSi-hBN coating and Ti-6Al-4V blade

試驗(yàn)前后葉片高度變化與葉片總進(jìn)給深度的百分比，在定量分析上是可磨耗性能評(píng)價(jià)最好的表述，將該數(shù)值的百分比定義為IDR[6]。對(duì)于固定的進(jìn)給深度，葉片磨損高度越接近零，可磨耗性能就越好。當(dāng)以葉片磨耗為主時(shí)，比值為正值；當(dāng)涂層材料轉(zhuǎn)向葉尖時(shí)（葉片高度增加），比值為負(fù)值。

表6為涂層與葉片可磨耗試驗(yàn)前后相關(guān)IDR因素的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。由于試驗(yàn)后涂層表面磨損變形、破壞，直接使用千分尺測(cè)量進(jìn)給深度會(huì)降低精度，造成較大誤差。因此，可以對(duì)涂層磨痕長(zhǎng)度的測(cè)量，通過幾何學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為深度值。

表6 葉片高度、總進(jìn)給深度及IDR值數(shù)據(jù)Table 6 The blade height、the total feed depth and the calculation of the IDR

圖2給出三種不同進(jìn)給速率條件下IDR值，由圖可知：低進(jìn)給速率時(shí)的IDR值較大，磨損較為嚴(yán)重，可能與該參數(shù)條件下涂層與葉片的對(duì)磨次數(shù)多相關(guān)。

2.2 進(jìn)給速率對(duì)微觀形貌的影響

研究不同進(jìn)給速率對(duì)AlSi/hBN涂層和TC4葉片磨耗機(jī)制的影響，需要對(duì)試驗(yàn)前后涂層和葉片進(jìn)行微觀形貌以及成分檢測(cè)分析，如圖3所示。

圖2 不同進(jìn)給速率下的IDR值Fig. 2 The map of IDRs of all the tests

刮削后涂層均發(fā)生了較嚴(yán)重的塑性變形，當(dāng)Vinc為5μm/s時(shí)，涂層磨痕表面有大量深而密集的溝槽，而且在溝槽兩側(cè)有熔融粘附的痕跡，對(duì)磨葉片有較深的溝槽，邊緣有涂層材料的粘連；當(dāng)Vinc為50μm/s時(shí)，涂層磨痕表面較平整，僅可以觀察到很淺的溝痕，對(duì)磨葉尖也僅有細(xì)小溝痕且邊緣也有粘連現(xiàn)象。當(dāng)進(jìn)給速率增加到480μm/s時(shí)，涂層表面更加平整，只有局部地區(qū)有微斷裂后形成的坑洞，對(duì)磨葉尖較為平整，沒有溝痕，僅有涂層材料粘附的現(xiàn)象。

5μm/s進(jìn)給速率下涂層有粘附區(qū)域的EDS分析結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，涂層表面的粘附物成分主要是Ti、Al、V，說明發(fā)生了葉片材料向涂層的粘附轉(zhuǎn)移，而在中、高進(jìn)給速率條件下的涂層表面未能檢測(cè)到這種現(xiàn)象。

圖4 1#涂層表面的EDS圖譜Fig.4 EDS image of condition 1 coating

對(duì)5μm/s進(jìn)給速率下涂層磨痕中間區(qū)域進(jìn)行物相分析，圖5的X衍射分析結(jié)果顯示了在涂層中主要是：Al9Si、Si、BN相，有微量的Al2O3相，說明在低進(jìn)給速率時(shí)，涂層表面可能有氧化現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 1#涂層磨痕中間區(qū)域X射線衍射圖譜Fig.5 X-ray diffraction patterns of condition 1 coating

綜上試驗(yàn)結(jié)果分析認(rèn)為：本試驗(yàn)采用的輪盤-葉片間歇式摩擦方式，在每一次的高速摩擦后，涂層表面都會(huì)形成熱應(yīng)力，而在相同刮削深度條件下，低進(jìn)給速率時(shí)葉片刮削涂層的時(shí)間長(zhǎng)，刮削次數(shù)多，而且單次刮削深度小，意味著葉片的每一次刮削都近乎是與前一次刮削后留下的表層進(jìn)行對(duì)磨，因此會(huì)造成熱應(yīng)力不易擴(kuò)散，從而累積形成熱應(yīng)力區(qū)，當(dāng)熱量達(dá)到一定程度時(shí)，發(fā)生過熱，使涂層表面“燒黑”，而葉片發(fā)生熔融，并且在應(yīng)力作用下粘附到涂層表面，發(fā)生碾壓、導(dǎo)致嚴(yán)重的塑性變形、畸變，因此在進(jìn)給速率Vinc為5μm/s時(shí)AlSi/hBN涂層磨痕表面可以觀察到葉片材料以魚鱗片層狀粘附，應(yīng)力及應(yīng)變能使其表面產(chǎn)生裂紋；而且涂層表面寬而深的凹槽現(xiàn)象說明有切槽機(jī)制發(fā)生。在高進(jìn)給速率時(shí)，刮削次數(shù)少，單次刮削深度大，形成的熱應(yīng)力較少且容易擴(kuò)散，因此對(duì)葉片的磨損較少，涂層表面也平整、光滑說明是切削機(jī)制。

圖6 試驗(yàn)過程轉(zhuǎn)速和溫度曲線圖Fig.6 The curves of rotation speed and temperature of the test

Al及其合金由于其低的屈服強(qiáng)度、延展性、面心立方結(jié)構(gòu)和化學(xué)親和力，使其具有很強(qiáng)的粘附轉(zhuǎn)移傾向[7]，試驗(yàn)過程中的相關(guān)曲線如圖6所示，其中，黑色曲線顯示為輪盤轉(zhuǎn)速，紅色曲線是輪盤軸的震動(dòng)監(jiān)測(cè)，綠色曲線顯示的是試驗(yàn)過程中溫度變化。本試驗(yàn)設(shè)定溫度為450℃，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值后即在A點(diǎn)開始刮削，在B點(diǎn)處刮削試驗(yàn)結(jié)束，刮削過程中釋放的熱量使涂層溫度提高至500℃左右，接近AlSi合金的熔點(diǎn)，涂層的粘性提高，因此，AlSi/hBN涂層材料易粘附到葉尖，可以在1#和2#的葉尖觀察到有明顯的粘連現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文對(duì)AlSi/hBN封嚴(yán)涂層和TC4葉片在溫度為450℃，線速度為300m/s，進(jìn)給深度500μm條件下進(jìn)行高速刮削試驗(yàn)，研究了5μm/s、50μm/s、480μm/s三種不同進(jìn)給速率對(duì)涂層及葉片的磨耗行為及磨耗機(jī)制的影響，分析得出以下結(jié)論：

（1）隨進(jìn)給速率的增加，IDR值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，涂層可磨耗性增加。在進(jìn)給速率Vinc為5μm/s時(shí)，涂層及葉片的磨損最為嚴(yán)重。

（2）隨進(jìn)給速率的增加，AlSi/hBN涂層磨耗機(jī)制從切槽、葉片材料的熔融粘附、過熱氧化到切削轉(zhuǎn)變；對(duì)磨葉片的主要磨耗機(jī)制是從犁溝、涂層材料的粘附轉(zhuǎn)移到以涂層向葉片的粘附轉(zhuǎn)移為主的轉(zhuǎn)變。

（3）本試驗(yàn)中AlSi/hBN涂層材料粘附葉片的程度要比M.B.Marshall等人在室溫環(huán)境下的研究結(jié)果更為嚴(yán)重，說明在450℃服役溫度下AlSi/hBN封嚴(yán)涂層可磨耗性降低。