王宇，崔岳峰，郭睿，劉建明*，黃凌峰，王帥

( 1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2.北礦新材科技有限公司，北京 102206；3.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；4.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206 )

0 引言

提高效率是航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)核心問題。氣流泄漏會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，因此減少泄漏一直是航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)。通常，在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間設(shè)計(jì)密封系統(tǒng)來控制氣流泄漏[1]。其中一種密封系統(tǒng)稱為篦齒密封，它由旋轉(zhuǎn)部件上的幾個(gè)篦齒和靜止部件上的襯套組成。帶有金屬蜂窩等可磨耗材料的襯套可以使篦齒鰭片在不發(fā)生重大損傷或磨損的情況下摩擦，以保持有效的密封界面[2]?？刂泼芊饨Y(jié)構(gòu)間隙是降低氣體泄漏最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法[3]。為了防止轉(zhuǎn)子、靜子金屬對(duì)磨產(chǎn)生過高的溫度，一般將篦齒頂端加工成薄帶結(jié)構(gòu)[4]。在篦齒尖端等關(guān)鍵部位制備防護(hù)涂層能防止最開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的切入以及瞬態(tài)極端操作時(shí)產(chǎn)生的對(duì)磨對(duì)篦齒產(chǎn)生的磨損。防護(hù)涂層的制備因此成為提高使用壽命和降低維護(hù)成本的重要技術(shù)。

早期篦齒防護(hù)涂層一般采用大氣等離子噴涂氧化鋁、氧化鈦等硬質(zhì)耐磨涂層，通過提高篦齒硬度起到耐磨防護(hù)作用[5]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，篦齒件的工作溫度和速度都大幅度提高，傳統(tǒng)的氧化鋁類耐磨涂層因高速摩擦生熱劇烈導(dǎo)致熔融磨損，且陶瓷基涂層與金屬篦齒基體熱膨脹匹配性差導(dǎo)致涂層易發(fā)生剝落。近年來國外出現(xiàn)新型主動(dòng)切削涂層，其類似高速切削磨削刀具涂層，將被動(dòng)耐磨轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)切削，能夠大幅度降低摩擦熱和碰磨震動(dòng)，具有更優(yōu)異的防護(hù)效果，在國外先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)中得到成功應(yīng)用。新型主動(dòng)切削涂層的基本結(jié)構(gòu)是金屬涂層嵌合大粒徑磨削顆粒，并且磨削顆粒的鋒利尖角和棱邊露出涂層表面[6]。這類涂層一般采用復(fù)合電沉積工藝制備[7]，其中篦齒表面主動(dòng)切削防護(hù)涂層便是其中一項(xiàng)典型的應(yīng)用，而cBN 因其良好的切削、耐高溫性及電鍍適應(yīng)性成為主動(dòng)切削涂層中最常使用的切削相。國外諸多公司，如：GE 公司[8]、Praxair[9]、Chromalloy[10]、Rolls-Royce[11]等都發(fā)展了具有復(fù)雜型面及精細(xì)結(jié)構(gòu)的渦輪部件表面復(fù)合電沉積涂層技術(shù) ( 包括在篦齒結(jié)構(gòu)上制備cBN 主動(dòng)切削涂層 ) ，相關(guān)工藝已獲專利授權(quán)，相關(guān)產(chǎn)品也已成熟應(yīng)用于新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。但相關(guān)技術(shù)受到國外各大廠商的嚴(yán)格保密，在篦齒表面制備復(fù)合電沉積Ni-cBN 主動(dòng)切削涂層的公開報(bào)道較少。本研究采用復(fù)合電沉積工藝在篦齒模擬件表面制備了Ni-cBN 涂層，采用可模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高速碰磨工況的可磨耗試驗(yàn)機(jī)，在高溫高速的極端工況的試驗(yàn)條件下對(duì)涂層與金屬蜂窩的對(duì)磨切削性能進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 基體材料及試樣

試片基體材料選用FGH95 鎳基高溫合金，其 名 義 成 分 為： 鎳 60wt.%、 鉻 20wt.%、 鈷13wt.%、鉬 4wt.%、鎢 3wt.%、鈦 1.5wt.%、鋁0.5wt.%、碳 0.1wt.%、鋯 0.1wt.%、硼 0.005wt.%。涂層顯微組織試片尺寸為Φ25 mm×4 mm。涂層對(duì)磨切削性能測(cè)試試樣使用具備篦齒局部仿形齒尖和齒面結(jié)構(gòu)的模擬件，如圖1 所示。金屬蜂窩GH3536 合金的名義成分為：鉻 22wt.%、鐵18wt.%、鉬 9wt.%、鈷 1.5wt.%，其余為鎳。

圖1 具備篦齒局部仿形齒尖和齒面結(jié)構(gòu)的模擬件Fig.1 Sample part with labyrinth seal fins

1.2 涂層制備

采用復(fù)合電沉積工藝制備Ni-cBN 涂層[12]。先將樣品表面浸泡丙酮超聲清洗以除去表面油污。采用鎳基鍍液體系，用于磨料顆粒的均勻完整鍍覆。所使用的磨料顆粒為單晶立方氮化硼，名義粒度為140-170 目。復(fù)合電沉積完成后采用真空熱處理爐對(duì)復(fù)合電沉積涂層進(jìn)行熱處理以消除涂層內(nèi)部應(yīng)力，熱處理?xiàng)l件為：真空度不低于5×10-3Pa，以10 ℃/min 升溫速率升至540 ℃后保溫4 h，隨爐冷卻。

1.3 涂層性能測(cè)試

1.3.1 涂層基本性能

本文使用QUANTA 400 掃描電子顯微鏡( Scanning Electron Microscope, SEM ) 對(duì)涂層厚度、Ni 層厚度、涂層中cBN 粒度及cBN 埋深進(jìn)行觀察分析；使用HITACHI SU5000 掃描電子顯微鏡對(duì)篦齒Ni-cBN 涂層表面狀態(tài)和截面組織進(jìn)行觀察分析；使用Xflash 6130 對(duì)切削后的涂層表面和涂層截面進(jìn)行能量色散X 射線譜 ( Energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS ) 分析。

涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試的具體方法為：首先在Φ25 mm×4 mm 規(guī)格的FGH95 試樣的一面進(jìn)行Ni-cBN 涂層制備，利用釬焊的辦法將圓片有、無涂層的兩個(gè)圓面分別焊接在Φ25 mm×50 mm的兩根316 不銹鋼接頭上，隨后將該釬焊樣按GB/T 228.1-2010 加工成拉伸試樣并進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。由于Ni-cBN 涂層的結(jié)合強(qiáng)度一般低于涂層與不銹鋼釬焊結(jié)合強(qiáng)度，也低于FGH95 基體與不銹鋼釬焊結(jié)合強(qiáng)度，所以施加拉力后，涂層首先會(huì)從內(nèi)部斷開或從涂層與FGH95 界面斷開，因此可以通過這種方法判斷Ni-cBN 涂層結(jié)合強(qiáng)度。

1.3.2 對(duì)磨切削性能

對(duì)磨切削性能測(cè)試在北礦新材科技有限公司研制的BKY-HVT300/800 高溫超高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，分別將帶有涂層與不帶涂層的篦齒模擬結(jié)構(gòu)試樣與GH3536 高溫合金金屬蜂窩對(duì)磨，通過對(duì)比觀察篦齒結(jié)構(gòu)與金屬蜂窩的摩擦磨損情況和對(duì)磨過程中的基體溫度變化，來考察涂層的對(duì)磨切削性能以及涂層對(duì)篦齒的保護(hù)效果。

圖2 是篦齒試驗(yàn)塊與金屬蜂窩裝配在高溫高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)上的實(shí)物圖。高轉(zhuǎn)速圓盤 ( 0～15000 r/min ) 帶動(dòng)帶涂層篦齒試驗(yàn)塊旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，金屬蜂窩采用火焰噴槍對(duì)對(duì)磨部位進(jìn)行高速焰流加熱。金屬蜂窩正面采用紅外傳感進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，背面采用多點(diǎn)電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)時(shí)，通過高精度傳動(dòng)軸對(duì)金屬蜂窩進(jìn)行進(jìn)給速率和進(jìn)給量的控制。

圖2 安裝完成后的篦齒—蜂窩對(duì)磨結(jié)構(gòu)Fig.2 Grinding structure of labyrinth seal fins-honeycomb after installation

分別在不同溫度 ( 室溫、600 ℃ ) ，不同線速度 ( 150 m/s 和300 m/s ) 、不同進(jìn)給速率( 5 μm/s、50 μm/s 和500 μm/s ) 、不同進(jìn)給深度 ( 100 μm、200 μm、700 μm ) 等條件進(jìn)行對(duì)磨切削試驗(yàn)[13]。為了充分模擬涂層長時(shí)間使用后涂層是否失效，將一部分帶涂層樣品直接放入大氣600 ℃的環(huán)境中處理200 h 后隨爐冷卻，在此熱穩(wěn)定試驗(yàn)后再進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)。

現(xiàn)有主動(dòng)切削涂層多應(yīng)用氣路封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，常用涂層高度磨損比 ( IDR，Incursion Depth Ratio，主動(dòng)切削涂層高度變化與靜子涂層刮痕深度的比值 )作為其切削性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式見式 ( 1 ) ：

IDR=（h1-h2）/（h3+h1-h2） ( 1 )

其中，h1為齒尖刮削前高度，h2為齒尖刮削后高度，h3為蜂窩刮削深度，h1、h2、h3的單位均μm[14,15]。由于金屬蜂窩硬度不高，在短時(shí) ( 1.4～20 s ) 的高溫高速對(duì)磨試驗(yàn)中涂層并未受到可測(cè)量的磨損，因此，僅采用IDR計(jì)算公式并不能完全評(píng)估涂層和金屬蜂窩對(duì)磨效果。

引入涂層與金屬蜂窩對(duì)磨部位的對(duì)磨瞬時(shí)溫度升高量ΔT作為涂層切削效果的評(píng)價(jià)依據(jù)，該項(xiàng)指標(biāo)可以反映涂層是否能夠有效降低摩擦熱，預(yù)測(cè)涂層服役過程中熱疲勞失效。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層基本性能

使用掃描電子顯微鏡對(duì)涂層總厚度和Ni 粘結(jié)層厚度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖3 所示。涂層總厚度由顆粒最高點(diǎn)到基體的距離決定，樣品檢測(cè)區(qū)域的涂層總厚度分別為132.01、102.28、136.38、92.38 μm，平均厚度為115.76 μm。對(duì)樣品進(jìn)行Ni層厚度測(cè)量，樣品檢測(cè)區(qū)域的Ni 涂層厚度分別為82.09、76.46、83.88、80.59 μm，平均厚度為80.76 μm。

對(duì)Ni-cBN 涂層結(jié)合強(qiáng)度試樣進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度測(cè)試，試樣拉斷后，斷裂面均位于Ni-cBN 涂層部位， Ni-cBN 涂層釬焊結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試樣抗拉強(qiáng)度值為160 MPa、177.5 MPa、181.8 MPa。由于斷裂面均位于Ni-cBN 涂層部位，因此，抗拉強(qiáng)度即為涂層結(jié)合強(qiáng)度。該涂層的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)高于熱噴涂制備的氧化鋁類防護(hù)涂層(20 MPa左右)[5]，可以有效防止涂層脫落。

2.2 對(duì)磨切削性能測(cè)試

對(duì)不同溫度 ( 室溫、600℃ ) ，不同線速度 ( 150 m/s、300 m/s ) 、不同進(jìn)給速率 ( 5 μm/s、50 μm/s、500 μm/s ) 、不同進(jìn)給深度 ( 100 μm、200 μm、700 μm ) 等條件下分別進(jìn)行了篦齒涂層—金屬蜂窩對(duì)磨切削試驗(yàn)，結(jié)果見表1。從對(duì)磨測(cè)試結(jié)果可以看出，進(jìn)給深度在100 μm 時(shí)金屬蜂窩表面形成較淺刮槽；進(jìn)給深度在200 μm 時(shí)涂層表面有少量金屬粘附，金屬蜂窩表面形成均勻明顯的刮槽；進(jìn)給深度在700 μm 時(shí)涂層表面有金屬粘附，金屬蜂窩表面形成均勻較深的刮槽。篦齒型面Ni-cBN 主動(dòng)切削涂層在各種參數(shù)條件下與金屬蜂窩對(duì)磨均能保持完好并在金屬蜂窩表面形成均勻的刮槽，篦齒涂層具有良好的切削效果。

表1 不同條件篦齒涂層—金屬蜂窩對(duì)磨試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Cutting experiments results of labyrinth-honeycomb at different conditions

為充分驗(yàn)證篦齒涂層在高溫高速工況下的服役性能，對(duì)溫度600 ℃、對(duì)磨線速度300 m/s、對(duì)磨進(jìn)給速率50 μm/s、對(duì)磨進(jìn)給深度200 μm 的高溫高速對(duì)磨典型工況下涂層對(duì)磨前后的變化進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試研究。圖4 是金屬蜂窩與有無涂層的篦齒對(duì)磨后的磨痕對(duì)比圖，圖5 是帶涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨后篦齒表面掃描電鏡照片和對(duì)應(yīng)區(qū)域能譜分析。圖6 是對(duì)磨后的篦齒尖端截面顯微組織。研制的Ni-cBN 涂層鍍覆的篦齒尖端與金屬蜂窩對(duì)磨后，篦齒表面Ni-cBN 涂層保存完整，未因高溫高速對(duì)磨而失效。帶涂層篦齒的磨痕與無涂層篦齒的磨痕相比更加連續(xù)、均勻，說明涂層使篦齒的切削性能明顯提高。從圖5、圖6 中可以看出，篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨后表面有金屬粘附，通過EDS 分析發(fā)現(xiàn)Ni-cBN 涂層表面具有Cr和Fe 元素，說明涂層表面粘附物為金屬蜂窩磨屑。

圖4 與金屬蜂窩對(duì)磨后篦齒照片：(a) 無涂層篦齒；(b)帶Ni-cBN 涂層篦齒Fig.4 Images of labyrinth seal fins after cutting with metal honeycombs : (a) without coating; (b) with Ni-cBN coating

圖5 Ni-cBN 涂層與金屬蜂窩對(duì)磨后組織照片及EDS 分析結(jié)果: (a) SEM; (b) EDSFig.5 SEM image and EDS result of Ni-cBN coating after cutting against metal honeycombs: (a) SEM, (b) EDS

圖6 篦齒尖端對(duì)磨后截面顯微組織Fig.6 Cross-section SEM image of Ni-cBN coating after cutting

圖7 是有、無涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨溫度變化圖。從圖7 清晰可見，無涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨5 秒時(shí)間內(nèi)，金屬蜂窩表面溫度迅速升高近100 ℃；而帶Ni-cBN 涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨過程中，金屬蜂窩表面溫度僅有20 ℃左右的溫升，Ni-cBN 涂層可有效降低篦齒與金屬蜂窩的對(duì)磨溫度。

圖7 有、無涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨過程中金屬蜂窩表面溫度變化圖Fig.7 Temperature changes of metal honeycomb surface during cutting against labyrinth seal fin with/without coating

圖8、圖9 分別是有、無涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨后蜂窩磨痕形貌和篦齒表面的形貌。從圖8 (b) 和圖9 (b) 可以看出，帶涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨后不論在篦齒尖端還是在金屬蜂窩切槽處，均形成了沿切削方向的均勻細(xì)小對(duì)磨切削紋理，這種對(duì)磨狀態(tài)有利于溫度擴(kuò)散，避免篦齒與金屬蜂窩形成積攢過多的摩擦熱。而從圖8 (a) 可以看出，無涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨時(shí)產(chǎn)生了擠壓對(duì)磨現(xiàn)象，金屬蜂窩被擠壓卷曲、破壞，這種硬對(duì)磨是導(dǎo)致篦齒與蜂窩對(duì)磨溫升較高的主要因素，這種較大溫升對(duì)篦齒齒尖有明顯不利影響，易造成齒尖的熱疲勞失效。從圖9 (a) 可以看出，無涂層篦齒尖端對(duì)磨后表面發(fā)黑，說明其表面形成了Ni、Fe 金屬的低價(jià)氧化物組織，可見對(duì)磨產(chǎn)生了較大的熱量。從圖9 還可觀察到篦齒尖端組織中存在較多細(xì)小熱裂紋，這也解釋了無防護(hù)篦齒服役過程中易熱疲勞失效的原因。

圖8 與篦齒對(duì)磨后蜂窩形貌：(a) 與無涂層篦齒對(duì)磨； (b) 與帶涂層篦齒對(duì)磨Fig.8 Images of metal honeycomb scratch after cutting against labyrinth seal fin: (a) without coating, (b) with coating

圖9 篦齒對(duì)磨后形貌：(a) 無涂層； (b) 帶涂層Fig.9 Images of labyrinth seal fin after cutting: (a) without coating, (b) with coating

為了充分模擬涂層長時(shí)間使用后涂層是否失效，本文將初始態(tài)和600 ℃大氣環(huán)境下熱穩(wěn)定200 h 后的兩種帶涂層篦齒試樣，在溫度600 ℃、對(duì)磨線速度300 m/s，對(duì)磨進(jìn)給速率50 μm/s，對(duì)磨進(jìn)給深度200 μm 的典型工況進(jìn)行了高溫高速對(duì)磨切削試驗(yàn)。圖10 為熱穩(wěn)定前、后帶涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨后照片。從圖10 可以看出，熱穩(wěn)定前、后帶Ni-cBN 涂層的篦齒結(jié)構(gòu)與GH3536 金屬蜂窩對(duì)磨后，篦齒表面涂層均保持完好，金屬蜂窩表面對(duì)磨切削形成的溝槽連續(xù)、均勻，二者形成了良好的對(duì)磨匹配效果。

圖10 帶涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨后照片：(a) 熱穩(wěn)定前； (b) 熱穩(wěn)定后Fig.10 Images of labyrinth seal fins with coating after cutting against metal honeycombs:(a) before heat treatment, (b) after heat treatment

圖11、圖12 分別為熱穩(wěn)定前、熱穩(wěn)定后的篦齒結(jié)構(gòu)對(duì)磨試驗(yàn)后涂層表面微觀狀態(tài)，圖13 為篦齒涂層截面EDS 面掃圖。從圖13 可以看出，熱穩(wěn)定前后篦齒表面Ni-cBN 涂層均保持完整，未發(fā)生剝落、掉塊，涂層及cBN 磨料顆粒表面有少量金屬蜂窩磨屑粘附?？梢姛岱€(wěn)定過程對(duì)NicBN 涂層的切削性能無顯著影響。

圖11 未熱穩(wěn)定的篦齒涂層經(jīng)對(duì)磨試驗(yàn)后照片：(a)表面；(b) 局部放大Fig.11 SEM images of labyrinth seal fin surface coating without heat treatment after cutting experiment:(a) surface; (b) enlarged image

圖12 熱穩(wěn)定后的篦齒涂層經(jīng)對(duì)磨試驗(yàn)后照片：(a)表面；(b) 局部放大Fig.12 SEM images of labyrinth seal fin surface coating after heat treatment after cutting experiment:(a) surface; (b) enlarged image

圖13 篦齒涂層截面能譜面掃圖Fig.13 EDS area scanning images of labyrinth coating after cutting experiment

3 結(jié)論

在FGH95 試片和篦齒模擬件表面制備了磨料顆粒分布均勻、平均厚度為115.76 μm 的Ni-cBN主動(dòng)切削涂層，并在不同溫度、線速度、進(jìn)給速率、進(jìn)給深度等條件下進(jìn)行了一系列篦齒涂層—金屬蜂窩對(duì)磨切削試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

( 1 ) Ni-cBN 主動(dòng)切削涂層與金屬蜂窩對(duì)磨后均能保持完好并在金屬蜂窩表面形成均勻的刮槽，對(duì)磨切削紋理細(xì)小均勻，篦齒涂層具有良好的切削效果。

( 2 ) 帶Ni-cBN 涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨過程中，相對(duì)無涂層篦齒與金屬蜂窩對(duì)磨溫升降低了約80 ℃，Ni-cBN 涂層可有效降低篦齒與金屬蜂窩的對(duì)磨溫度。

( 3 ) 600 ℃大氣環(huán)境下熱穩(wěn)定200 h 處理后涂層仍能保持良好的切削性能，熱穩(wěn)定過程對(duì)Ni-cBN 涂層的切削性能無顯著影響，所制備NicBN 涂層在600 ℃大氣環(huán)境下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。