慕琴琴，徐健

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 航空噪聲與動(dòng)強(qiáng)度航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710065)

0 引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于典型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，與發(fā)動(dòng)機(jī)性能和壽命緊密相關(guān)的部件工作狀態(tài)、強(qiáng)度、封嚴(yán)間隙、葉間間隙等都受過(guò)渡態(tài)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和氣動(dòng)性能變化的影響。渦輪機(jī)效率、功率和油耗與轉(zhuǎn)子葉片-機(jī)匣之間的徑向間隙密切相關(guān)：徑向間隙每增大0.13 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)單位耗油量大約增加0.5%；反之每減少0.25 mm，渦輪效率大約提高1%[1]?？梢姡g隙過(guò)大會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率、質(zhì)量流量及喘振裕度，也使得轉(zhuǎn)靜間隙越來(lái)越小。然而，過(guò)小的間隙下，過(guò)渡態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)突變會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)靜子碰摩、封嚴(yán)涂層磨損、卡滯等現(xiàn)象。美國(guó)運(yùn)輸部報(bào)道，20世紀(jì)60～70年代，4.17×109飛行小時(shí)中，由轉(zhuǎn)靜子之間碰摩引起的發(fā)動(dòng)機(jī)事故占10.2%；1994～1996年，4架F-16戰(zhàn)斗機(jī)因發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩故障導(dǎo)致失事，另有直接或間接引發(fā)動(dòng)機(jī)碰摩故障而被迫停飛的有339架次[2]。因此，探索碰摩故障發(fā)生機(jī)理和演化規(guī)律，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和適航審定均有非常重要的意義。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)通常在靜轉(zhuǎn)子間隙部分加入封嚴(yán)涂層，也叫密封涂層[3]，以減小氣路密封間隙，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。封嚴(yán)涂層一般應(yīng)用在轉(zhuǎn)子軸、鼓筒、軸承、機(jī)匣內(nèi)壁、轉(zhuǎn)子葉片葉尖，既要保證工作間隙最小，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，又要有效阻止刮削損傷，以免引起發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子碰摩故障。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片與機(jī)匣內(nèi)壁發(fā)生碰摩時(shí)，涂層將代替機(jī)匣與葉片接觸，避免葉片與機(jī)匣發(fā)生硬碰撞引起損傷，同時(shí)為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)性能，可以保持較小的氣路間隙。

FAA在2014年發(fā)布的FAR33.15支持文件AC33-11中說(shuō)明：涂層需要在與工作環(huán)境相似的試驗(yàn)條件下進(jìn)行符合性驗(yàn)證[4]。封嚴(yán)涂層除高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性、結(jié)合強(qiáng)度等指標(biāo)外，可磨耗性也是重要性能指標(biāo)之一，封嚴(yán)涂層的可磨耗性研究依然主要依靠試驗(yàn)技術(shù)。相比早期的劃痕法、車削法、沖擊刮削法和滑動(dòng)磨損法等方法，近年來(lái)，越來(lái)越多地采用模擬實(shí)際工況的高溫高速碰摩可磨耗試驗(yàn)方法，可以更貼近發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況對(duì)封嚴(yán)涂層的可磨耗性進(jìn)行評(píng)測(cè)。

本文從碰摩試驗(yàn)臺(tái)、碰摩試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與涂層可磨耗試驗(yàn)方法三個(gè)角度分析目前葉片-涂層機(jī)匣碰摩試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展需求。

1 高溫高速葉片-機(jī)匣碰摩試驗(yàn)臺(tái)研制現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況的表征比較復(fù)雜，渦輪葉片在高達(dá)1 200 ℃以上的高溫環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)，高速高溫的氣流沖刷著封嚴(yán)涂層材料，同時(shí)轉(zhuǎn)靜子之間碰摩線速度能達(dá)到500 m/s[5]。要實(shí)現(xiàn)涂層在盡可能模擬真實(shí)工況下的碰摩磨耗研究，葉尖線速度、涂層溫度與實(shí)際工作狀態(tài)的吻合為最佳。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在封嚴(yán)涂層可磨耗考核驗(yàn)證研究方面，瑞士Sulzer Metco公司處于世界領(lǐng)先地位，從1988年開始研制并不斷改進(jìn)涂層可磨耗性評(píng)價(jià)試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試參數(shù)范圍與評(píng)價(jià)體系都較為全面。Sulzer Metco公司試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示[6]，試驗(yàn)機(jī)最高線速度達(dá)410 m/s，涂層試樣進(jìn)給速率1～2 000 μm/s，涂層加熱溫度最高能達(dá)到1 200 ℃。碰摩過(guò)程采用單葉片斷續(xù)刮削方式，即渦輪盤上安裝一個(gè)模擬葉片與涂層進(jìn)行刮削，在對(duì)稱榫槽位置安裝配重葉片，用以校正轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)平衡。試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩級(jí)齒輪箱增速，由一臺(tái)2 MW交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪盤至目標(biāo)葉尖線速度。涂層試樣安裝于兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)雙向驅(qū)動(dòng)的進(jìn)給平臺(tái)上，通過(guò)可編程邏輯控制器實(shí)現(xiàn)入侵深度和速率的改變。氧氣和丙烷燒燃燒產(chǎn)生高溫火焰，通過(guò)壓縮空氣加速，對(duì)涂層試樣表面進(jìn)行加熱，同時(shí)通過(guò)光學(xué)高溫計(jì)和在涂層試樣基板上安裝的熱電偶來(lái)測(cè)量試樣溫度變化。三向測(cè)力儀和壓電式加速度傳感器用來(lái)測(cè)量刮削過(guò)程中的碰摩力和振動(dòng)沖擊強(qiáng)度，高速數(shù)據(jù)采集儀采集、顯示并存儲(chǔ)涂層試樣溫度、進(jìn)給速率及振動(dòng)加速度等數(shù)據(jù)。同時(shí)為更加直觀分析刮削過(guò)程，試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)高速攝像設(shè)備記錄每次刮削過(guò)程葉片葉尖和涂層表面的變化。

圖1 Sulzer Metco高溫可磨耗試驗(yàn)臺(tái)

荷蘭宇航院(NLR)模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況條件，研制的試驗(yàn)裝置如圖2所示[7]，最高使用溫度760 ℃，最高使用線速度365 m/s。

圖2 荷蘭NLR試驗(yàn)裝置

加拿大國(guó)家研究委員會(huì)航空航天研究所(NRC)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室在自建的可磨耗試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試涂層在模擬服役溫度情況下的高溫可磨耗性，試驗(yàn)機(jī)總體如圖3所示[8]?？諝鉁u輪驅(qū)動(dòng)混合支撐的轉(zhuǎn)子輪盤至最高40 000 r/min，對(duì)應(yīng)最高葉尖線速度425 m/s，安裝有涂層試樣的平臺(tái)由徑向和軸向安裝的兩臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給速率范圍為2.54～762 μm/s，涂層試樣可采用平板型和圓弧形，通過(guò)在涂層試樣背面安裝電阻絲加熱器可將涂層試樣加熱至最高600 ℃工況下測(cè)試涂層的可磨耗性能。

圖3 NRC可磨耗試驗(yàn)機(jī)

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)研究所聯(lián)合通用電氣航空發(fā)動(dòng)機(jī)部門和MachineryVibrations公司在其SPF設(shè)備上進(jìn)行“葉片-機(jī)匣”的碰摩試驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置采用輪盤高速旋轉(zhuǎn)，試樣沿徑向入侵方式模擬真實(shí)工況下的碰摩過(guò)程，動(dòng)力系統(tǒng)主要是可逆氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)高剛度中空主軸，試驗(yàn)輪盤通過(guò)轉(zhuǎn)接器懸掛于主軸下方，最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速達(dá)20 000 r/min，入侵增量為5 μm，整體試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示[9]。

圖4 俄亥俄州立大學(xué)立式旋轉(zhuǎn)碰磨試驗(yàn)臺(tái)

美國(guó)PWA公司設(shè)計(jì)了一套專用于渦輪葉片刮磨試驗(yàn)的高速試驗(yàn)裝置，如圖5所示[10]。該試驗(yàn)臺(tái)可在輪盤上噴涂可刮削涂層，通過(guò)高轉(zhuǎn)速電機(jī)帶動(dòng)輪盤旋轉(zhuǎn)，通過(guò)進(jìn)給電機(jī)模擬葉片徑向生長(zhǎng)，進(jìn)行刮磨試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)可獲得刮磨過(guò)程中刮磨層的刮磨溫度及刮磨扭矩。

圖5 美國(guó)PWA公司的高速試驗(yàn)裝置

美國(guó)NASA研制了一套高速刮磨試驗(yàn)設(shè)備，如圖6所示[11]。該設(shè)備采用2.24 kW異步電機(jī)作為主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)。轉(zhuǎn)子直徑191 mm，材料Ti-6Al-4V，葉片寬度12.7 mm，厚度3.175 mm，模擬葉片數(shù)量12。葉尖(迷宮齒外緣)線速度達(dá)320 m/s。涂層試樣進(jìn)給速率最小2.54 μm，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量葉尖/刃口處的溫度，摩擦部位后90°位置測(cè)量溫度。在變速器與輪盤直徑的主軸上設(shè)置扭矩傳感器，測(cè)量摩擦力矩表征摩擦力。在試樣工裝上安裝應(yīng)變片，測(cè)量徑向載荷，表征正向壓力。

圖6 美國(guó)NASA Lewis的可刮削試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

英國(guó)Sheffield大學(xué)研制了一臺(tái)高速碰摩試驗(yàn)裝置，如圖7所示[12]，其通過(guò)電主軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子-輪盤系統(tǒng)最高能到21 000 rpm，可實(shí)現(xiàn)刮擦線速度110～200 m/s，進(jìn)給速率達(dá)到3.4～2000 μm/s。

圖7 英國(guó)Sheffield大學(xué)試驗(yàn)裝置

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

天津大學(xué)和中國(guó)民航大學(xué)聯(lián)合研制了一臺(tái)可用于模擬壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片與機(jī)匣發(fā)生碰摩故障從而磨耗機(jī)匣內(nèi)壁圖層的試驗(yàn)臺(tái)，如圖8所示[13]。

圖8 天津大學(xué)和民航大學(xué)研制的高速碰摩試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)由電機(jī)通過(guò)齒輪升速箱驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子-圓盤系統(tǒng)高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)的圓盤直徑為800 mm，在轉(zhuǎn)盤圓周設(shè)置葉片安裝榫槽，將鈦合金葉片安裝在榫槽中定位。通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)使葉片邊緣達(dá)到最大線速度400 m/s，與此同時(shí)，碰摩伺服升降裝置可將制備有封嚴(yán)涂層的碰摩板以2 μm/s進(jìn)給精度向高速旋轉(zhuǎn)的葉片進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)碰摩故障的模擬。為采集碰摩力、轉(zhuǎn)盤葉片線速度、轉(zhuǎn)盤軸端位移、軸承座振動(dòng)、升速箱振動(dòng)等數(shù)據(jù)，在測(cè)試位置布置相應(yīng)傳感器，利用自主開發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和試驗(yàn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。

中國(guó)科學(xué)院金屬研究所專用材料與器件研究部自主研發(fā)了一套模擬高速高溫工況下評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層服役性能的刮擦式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)PWW，如圖9所示[14]。通過(guò)采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載主軸至最高18 000 r/min，可實(shí)現(xiàn)刮擦線速度高達(dá)160 m/s，進(jìn)給速率范圍2～3 000 μm/s。該試驗(yàn)機(jī)采用輻照聚光加熱，最高加熱溫度1 200 ℃。

圖9 中國(guó)科學(xué)院金屬研究所試驗(yàn)裝置

航空工業(yè)北京航空精密機(jī)械研究所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)涂層刮削式試驗(yàn)機(jī)，如圖10所示[15]。試驗(yàn)機(jī)以S7-200CN可編程邏輯控制器控制高頻變頻器驅(qū)動(dòng)電主軸，電主軸實(shí)際最高轉(zhuǎn)速達(dá)23 500 r/min，同時(shí)PLC輸出模擬量信號(hào)作為伺服驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)，配合大速比減速器，可實(shí)現(xiàn)徑向1～2 000 μm/s，軸向500～2 000 μm/s的進(jìn)給速率范圍。選用陶瓷纖維加熱器對(duì)涂層試樣所在局部范圍加熱，經(jīng)仿真計(jì)算涂層可達(dá)1 150 ℃，實(shí)際測(cè)試只能加熱至最高300 ℃。

圖10 北京航空精密機(jī)械研究所和哈工大刮削式試驗(yàn)機(jī)

浙江大學(xué)聯(lián)合北京礦冶研究總院研制的能夠模擬高速高溫碰摩工況的封嚴(yán)涂層可磨耗試驗(yàn)機(jī)，設(shè)計(jì)的最大葉尖半徑250 mm，葉尖線速度450 m/s，高速高溫氧氣-丙烷火焰直接加熱涂層試樣及基板，通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣和乙炔的流量控制火焰燃燒強(qiáng)度，調(diào)整火焰與試樣基板之間的距離，配合遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的準(zhǔn)確控制，加熱溫度可達(dá)到1 000 ℃以上。整個(gè)試驗(yàn)裝置如圖11所示[16]。

圖11 浙江大學(xué)及北京礦冶研究總院可磨耗試驗(yàn)機(jī)

國(guó)內(nèi)外典型碰摩磨耗試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 國(guó)內(nèi)外典型磨耗試驗(yàn)設(shè)備性能參數(shù)

2 葉片-涂層機(jī)匣碰摩試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀

封嚴(yán)涂層與葉片刮擦磨耗產(chǎn)生徑向與切向的碰摩力，對(duì)于研究其磨耗機(jī)理有重要的作用，不僅可以用來(lái)表征涂層可磨耗性的優(yōu)劣，也可以結(jié)合刮擦接觸能量理論進(jìn)行深入的磨耗機(jī)理研究。由于該力作用時(shí)間極短，而且由于葉片與涂層磨耗刮擦作用切入至切出過(guò)程中角度的改變、試驗(yàn)進(jìn)給導(dǎo)致刮擦切削深度的改變，涂層材料的不均勻性和磨耗作用過(guò)程中可能出現(xiàn)致密化現(xiàn)象，使得在刮擦過(guò)程中沿圓周方向和徑向都會(huì)出現(xiàn)變化，這樣給碰摩力的測(cè)量帶來(lái)了困難。在葉片涂層高速碰摩產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)高頻碰摩力測(cè)試方面，國(guó)內(nèi)外主要采用壓電式力傳感器配合信號(hào)調(diào)理模塊和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

瑞士Sulzer Metco公司研制的高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)測(cè)試方案如圖12所示[6]，采用由若干個(gè)三向壓電式力傳感器組成的測(cè)力平臺(tái)測(cè)量碰摩過(guò)程中試件受到的碰摩力，通過(guò)安裝在涂層試件基板上的熱電偶測(cè)量試樣溫度變化，利用安裝在進(jìn)給機(jī)構(gòu)上的位置傳感器測(cè)量進(jìn)給深度，并使用高速數(shù)據(jù)采集儀采集、顯示并存儲(chǔ)涂層試件溫度、進(jìn)給速率、進(jìn)給深度、葉尖速度及碰摩力等數(shù)據(jù)。同時(shí)，試驗(yàn)系統(tǒng)還通過(guò)高速攝像設(shè)備記錄每次刮削過(guò)程葉片葉尖和涂層表面的變化。

圖12 Sulzer Metco公司碰摩測(cè)試方案

德國(guó)學(xué)者Ahrens等將力傳感器沿徑向布置在碰摩試件的背部，并安裝在進(jìn)給平臺(tái)上組成測(cè)力單元，以測(cè)量不同侵入深度時(shí)的碰摩力，如圖13所示[17]。

圖13 德國(guó)Ahrens的碰摩力測(cè)試方案

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

對(duì)于高溫環(huán)境下的碰摩力測(cè)量，浙江大學(xué)與瑞士Sulzer Metco公司采用了相似的測(cè)試方案，利用Kistler9257B測(cè)力計(jì)配合5080A多通道電荷放大器及采樣頻率高達(dá)2 MHz的高速數(shù)采卡測(cè)量碰摩力，如圖14所示[18]。

圖14 浙江大學(xué)碰摩力測(cè)試方案

該測(cè)力計(jì)為板狀結(jié)構(gòu)，由4個(gè)三向壓電式力傳感器組成，可同時(shí)測(cè)量碰摩過(guò)程中試件受到的徑向、切向、軸向力及力矩，而且使用該測(cè)力計(jì)進(jìn)給平臺(tái)在承受碰摩力時(shí)不易變形，有效保障了測(cè)試精度，為滿足測(cè)力計(jì)的工作溫度要求，試件與測(cè)力計(jì)之間采用水冷板連接和隔離。

東北大學(xué)設(shè)計(jì)了如圖15所示[19]的碰摩力測(cè)試方案，其將一個(gè)Kistler9367C三向壓電式力傳感器布置在模擬機(jī)匣后方用于測(cè)量徑向及切向高頻碰摩力。

圖15 東北大學(xué)碰摩力測(cè)試方案

3 封嚴(yán)涂層可磨耗試驗(yàn)驗(yàn)證方法研究現(xiàn)狀

由于封嚴(yán)涂層結(jié)構(gòu)(金屬骨架、潤(rùn)滑相、孔隙)的復(fù)雜性及其工況(高速、高溫)的特殊性，涂層與葉片在刮擦過(guò)程中涉及多種磨損機(jī)制，并且可能發(fā)生磨損機(jī)制的轉(zhuǎn)變。因此評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層的性能需要綜合多方面的指標(biāo)，包括強(qiáng)(硬)度、彈性模量、韌性、導(dǎo)熱性、高溫強(qiáng)度等理化和力學(xué)表征，也包括摩擦因數(shù)、磨損量、沖蝕率、摩擦功耗、疲勞極限、耐蝕性等行為表現(xiàn)。這些性能有的是由材料的成分、組織和結(jié)構(gòu)等決定的固有特性，有的是與工況條件密切相關(guān)的服役特性，它們相互關(guān)聯(lián)并且相互作用和相互影響。

為評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層在具體工況下的使役性能，將“可磨耗性(Abradability)”作為一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，是指封嚴(yán)涂層與葉片發(fā)生刮擦?xí)r涂層的被磨耗能力，也稱為“可刮削性”[14]，也是評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層性能的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)于可刮削性的最基本要求是封嚴(yán)涂層優(yōu)先被刮削，葉片不磨損或者少量磨損，刮削時(shí)摩擦副的能量損失小?？晒蜗餍允菤饴访芊馀涓蹦Σ翆W(xué)特性的表達(dá)，既與涂層和葉片材料性能有關(guān)，又與磨損過(guò)程中的載荷、速度、環(huán)境及表面溫度的演變影響密切相關(guān)，反映了系統(tǒng)特征，尤為重要的是體現(xiàn)入侵深度、入侵速率、刮擦頻率等參數(shù)不容忽視的作用。需要指出的是，封嚴(yán)涂層的可刮削性區(qū)別于通常所說(shuō)的材料耐磨性，其定量數(shù)據(jù)不僅與磨損量有關(guān)，還包括反映氣路密封配副在高速高溫條件下的刮擦力變化、能量損耗、表面狀態(tài)改變以及磨損產(chǎn)物特性等相關(guān)內(nèi)容。

FAA、EASA等機(jī)構(gòu)對(duì)于封嚴(yán)涂層可磨耗性能考核驗(yàn)證試驗(yàn)方法已形成較完備的體系，而我國(guó)現(xiàn)有的現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HB 7236)只有涂層機(jī)械性能指標(biāo)，沒(méi)有綜合考慮環(huán)境影響。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間研究發(fā)現(xiàn)，作為材料的服役性能，模擬工況下進(jìn)行磨損試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，在用于表征和評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層上更為有效。雖然目前對(duì)封嚴(yán)涂層的可磨耗性評(píng)價(jià)尚未建立起公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)方法，但其趨勢(shì)是模擬高速高溫條件下的摩擦磨損試驗(yàn)，以期尋求評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層的有效判據(jù)。

美國(guó) NASA Lewis 研究中心對(duì)多種封嚴(yán)材料的刮擦行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)：①封嚴(yán)涂層尤其是低密度封嚴(yán)涂層的刮擦性能對(duì)刮擦速度、入侵速率、葉尖外形等因素十分敏感；②低密度材料通過(guò)離散顆粒的流失適應(yīng)刮擦作用，發(fā)生涂抹時(shí)摩擦產(chǎn)熱速率會(huì)顯著提高(約兩個(gè)數(shù)量級(jí))，可用于指示磨損方式是否發(fā)生變化；③致密易塑性變形材料刮擦行為較穩(wěn)定，硬度作為首要篩選指標(biāo)[11]，并提出相關(guān)指數(shù)值(Correlating Number)N，N值越小，材料可刮削性越好，葉片磨損量越小。

N=極限抗張強(qiáng)度×延伸率×密度×熱容量×熱加工溫度

(1)

對(duì)于封嚴(yán)材料的評(píng)價(jià)，開始是綜合各測(cè)量值(力、溫度、磨損量等)和金相分析結(jié)果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，最終將可刮削性定義為體積磨損量的比值，即：

(2)

式中：ΔVb為葉片的體積磨損量；ΔVs封嚴(yán)涂層的體積磨損量。

期望轉(zhuǎn)子(葉片或刀口)的磨損量很小，理想狀態(tài)下轉(zhuǎn)子磨損量為零，則封嚴(yán)材料的可刮削性最好。

美國(guó) PWA(Pratt & Whitney Aircraft)公司以敷有涂層的圓盤為高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件，以葉片為徑向進(jìn)給樣品，通過(guò)測(cè)定可刮削封嚴(yán)材料與模擬葉片葉尖刮擦過(guò)程的能耗，利用測(cè)得的溫度分布和一維運(yùn)動(dòng)鰭片模型，計(jì)算出傳給葉片、可刮削涂層和磨屑的能量分?jǐn)?shù)，并命名該研究?jī)?nèi)容為“刮擦能量學(xué)”(Rub Energetics)。得出主要結(jié)論如下：①按自變量對(duì)封嚴(yán)涂層刮擦行為的影響大小排序依次為：入侵速率、刮擦速度和葉片厚度、入侵深度和封嚴(yán)涂層密度。②低入侵速率時(shí)，低能耗、低葉片磨損；中高入侵速率時(shí)，封嚴(yán)材料向葉片轉(zhuǎn)移；高入侵速率時(shí)，高能耗、高葉片磨損[20]。

Sulzer Metco公司設(shè)計(jì)制造的高溫刮擦試驗(yàn)裝置的入侵速率由施加的載荷決定，采用丙烷-氧氣噴燈環(huán)加熱(溫度高達(dá)1 100 ℃)，涂層與旋轉(zhuǎn)葉片接觸形成環(huán)形刮擦痕[21]。在試驗(yàn)過(guò)程中，僅使用兩個(gè)渦輪葉片，而且葉片與涂層穩(wěn)定接觸，所以試驗(yàn)條件較工況惡劣。涂層的可刮削性定義為涂層與葉片磨損量的比值，即涂層磨痕深度與葉片磨損高度之比。

華盛頓大學(xué)E.P.Petrov[22]參考NASA實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)多種葉片材料和葉片外形條件下80 %Ni 20 % Cr封嚴(yán)涂層的刮擦行為進(jìn)行研究，研究結(jié)果與前人的相一致，并定義致密化因子：

(3)

式中：Wg為與所產(chǎn)生磨痕體積相等的封嚴(yán)涂層的質(zhì)量；Ws為刮擦過(guò)程中封嚴(yán)涂層的實(shí)際質(zhì)量損失。

將使役條件下封嚴(yán)涂層的致密化因子與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、圖形相結(jié)合，即可得到其使役過(guò)程中的工況條件。將封嚴(yán)涂層的有效性(可刮削性)定義為磨損質(zhì)量比值，即涂層磨損質(zhì)量與葉片磨損質(zhì)量之比。其值越大，說(shuō)明封嚴(yán)涂層的可刮削性越好，由于測(cè)量方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

封嚴(yán)涂層的可刮削性評(píng)價(jià)經(jīng)歷了從定性到定量的發(fā)展過(guò)程，以能耗、動(dòng)態(tài)硬度或葉片與涂層磨損量的比值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，近年來(lái)則多以涂層的三維磨損機(jī)制圖了解發(fā)生磨損機(jī)理轉(zhuǎn)變與刮擦試驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)間的聯(lián)系，從而用于指導(dǎo)熱噴涂工藝或封嚴(yán)涂層的選擇，甚至開發(fā)新型涂層。

Sulzer Metco公司利用建成的高速刮擦試驗(yàn)裝置已成功開發(fā)出多個(gè)系列的高性能涂層[23]，如可用于450 ℃的AlSi金屬基涂層，650 ℃的金屬陶瓷基涂層(DurableTM 26XX)，850 ℃的 CoNiCrAlY基涂層等。近年來(lái)，歐共體著手對(duì)封嚴(yán)涂層進(jìn)行數(shù)值模擬研究，主要步驟有：①采用圖像分析軟件和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)現(xiàn)有的封嚴(yán)涂層形貌、顯微結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)金屬框架、固體潤(rùn)滑相和孔隙的形狀、大小及分布進(jìn)行分析并以模擬的方法將圖像疊加形成封嚴(yán)涂層等效圖；②通過(guò)測(cè)定涂層的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)和熱學(xué)性能，摩擦學(xué)特性(如沖蝕率)，再與高溫高速刮擦臺(tái)架上測(cè)得的可刮削性聯(lián)系，以便組合幾種性能參數(shù)準(zhǔn)確表達(dá)對(duì)應(yīng)于不同溫度和速度下最佳可刮削性的有效判據(jù)；③探索通過(guò)涂層制備工藝參數(shù)和原料3種成份的配比、粒度等以獲得最佳涂層的方法，目前尚未見到具有成功經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果的報(bào)導(dǎo)。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，西安交通大學(xué)易茂中等[24]采用M-200磨損試驗(yàn)機(jī)研究多種中溫封嚴(yán)涂層在不同載荷下可磨耗性及磨損機(jī)理并分析M313、M310等幾種封嚴(yán)涂層的摩擦行為和可刮削性，并對(duì)其進(jìn)行排序；西安交通大學(xué)陸明珠等[25]等利用自制電子沖擊刮削試驗(yàn)機(jī)，對(duì)封嚴(yán)涂層進(jìn)行了可刮削性測(cè)試，得到刮削載荷-位移曲線，對(duì)封嚴(yán)涂層可磨耗性和結(jié)合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。21世紀(jì)初，中科院金屬研究所高禩洋等[26]利用單擺沖擊劃痕法研究了三種封嚴(yán)涂層的沖擊刮削性能，通過(guò)對(duì)比能耗曲線判斷其刮削性能，同時(shí)已完成高速/高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研制，并利用該試驗(yàn)機(jī)對(duì)封嚴(yán)涂層的可刮削性進(jìn)行了相關(guān)研究。近些年來(lái)，數(shù)值模擬技術(shù)開始應(yīng)用在封嚴(yán)涂層可刮削性研究中。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比國(guó)外高溫高速可磨耗試驗(yàn)臺(tái)發(fā)現(xiàn)，瑞士Sulzer Metco公司研制的設(shè)備處于比較領(lǐng)先的地位，與其相比，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)在試樣進(jìn)給速率、加熱溫度以及葉尖線速度方面還有一定差距，且試驗(yàn)工況與發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況存在一定差異。在封嚴(yán)涂層可磨耗性考核驗(yàn)證方面，國(guó)外FAA、EASA等機(jī)構(gòu)已形成較完備的體系，而我國(guó)現(xiàn)有的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HB 7236)只有涂層機(jī)械性能指標(biāo)，沒(méi)有綜合考慮環(huán)境影響。

因此，需要研制與涂層使用工況相似的高溫高速葉片-涂層機(jī)匣碰摩試驗(yàn)臺(tái)，形成接近發(fā)動(dòng)機(jī)真實(shí)工況的封嚴(yán)涂層可磨耗性能考核驗(yàn)證試驗(yàn)方法，探索葉片-機(jī)匣碰摩過(guò)程中轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及故障演化機(jī)理，從而加快實(shí)現(xiàn)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的自主研發(fā)和生產(chǎn)，增強(qiáng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。