進給速率對AlSi/hBN封嚴涂層可磨耗性的影響

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)展對航空發(fā)動機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)動機設(shè)計和制造的總體目標。國內(nèi)外借助數(shù)值計算和試驗研究的手段，分析了葉尖與機匣間隙對航空發(fā)動機的影響。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，會引起壓氣機或渦輪效率降低約0.8%～1.2%；會使雙轉(zhuǎn)子渦輪風扇發(fā)動機的耗油率增加約2%；Scott B.Lattime[2]等人分析認為，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、渦輪機葉尖與機匣之間的間隙是提高發(fā)動機性能的重要手段。

封嚴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，被引入作為“犧牲型”材料用于減少間隙。AlSi/hBN封嚴涂層是中低溫應(yīng)用環(huán)境中的典型封嚴材料，主要用于航空渦輪發(fā)動機氣路密封的高壓壓氣機段。AlSi金屬骨架相中，Al的存在降低了剪切強度[3]，Si可以改善合金的流動性，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加工性能，具有中等的強度和硬度，但塑性較低，可磨耗性較好。六方氮化硼具有良好的潤滑性能，抗氧化性和良好的化學穩(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涂層材料中的可磨耗相。

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

前述對AlSi/hBN封嚴涂層可磨耗性的研究主要是在室溫條件下進行的，與實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機，在450℃涂層實際服役溫度條件下，研究了進給速率對AlSi/hBN封嚴涂層和TC4模擬葉片可磨耗性和磨損機理的影響。

1 實驗材料和設(shè)備

采用的模擬葉片為Ti-6Al-4V，主要化學成分和性能參數(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的力學性能Table2 Mechanical properties of titanium alloy of TC4

實驗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)合強度。噴涂前將粉末進行烘干處理，采用德國GTV噴涂系統(tǒng)，用F6噴槍進行等離子噴涂。AlSi/hBN粉末化學成分及噴涂后涂層常規(guī)力學性能如表3和表4所示。其中，結(jié)合強度的測量結(jié)果為涂層內(nèi)部層間結(jié)合力的值。

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

表4 AlSi/hBN涂層力學性能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機，輪盤轉(zhuǎn)速最高為15000RPM，線速度達到310m/s，進給速率為5～500μm/s，最高試驗溫度可達800℃。本試驗在溫度為450℃、進給深度500μm條件下，對不同參數(shù)條件下的AlSi/BN封嚴涂層和Ti-6Al-4V葉片摩擦副進行摩擦磨損試驗，試驗條件參數(shù)如表5所示。

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

對試驗后涂層和葉片磨痕采用Zeiss SteREO Discovery V20型體式顯微鏡進行宏觀形貌分析，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）進行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 進給速率對宏觀形貌的影響

刮削試驗后AlSi/hBN涂層和TC4葉片宏觀形貌如圖1所示，由圖可見所有試驗參數(shù)下，涂層和葉片都發(fā)生了不同程度的磨損。低進給速率時，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，對磨葉片發(fā)生嚴重的磨損，葉尖參差不齊；當進給速率為50μm/s時，涂層磨痕表面較為平整，對磨葉片僅在一端有較淺的溝槽；高進給速率時，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

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

表6為涂層與葉片可磨耗試驗前后相關(guān)IDR因素的試驗數(shù)據(jù)表格。由于試驗后涂層表面磨損變形、破壞，直接使用千分尺測量進給深度會降低精度，造成較大誤差。因此，可以對涂層磨痕長度的測量，通過幾何學計算轉(zhuǎn)換為深度值。

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

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

2.2 進給速率對微觀形貌的影響

研究不同進給速率對AlSi/hBN涂層和TC4葉片磨耗機制的影響，需要對試驗前后涂層和葉片進行微觀形貌以及成分檢測分析，如圖3所示。

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

刮削后涂層均發(fā)生了較嚴重的塑性變形，當Vinc為5μm/s時，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，對磨葉片有較深的溝槽，邊緣有涂層材料的粘連；當Vinc為50μm/s時，涂層磨痕表面較平整，僅可以觀察到很淺的溝痕，對磨葉尖也僅有細小溝痕且邊緣也有粘連現(xiàn)象。當進給速率增加到480μm/s時，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、高進給速率條件下的涂層表面未能檢測到這種現(xiàn)象。

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

對5μm/s進給速率下涂層磨痕中間區(qū)域進行物相分析，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，說明在低進給速率時，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

綜上試驗結(jié)果分析認為：本試驗采用的輪盤-葉片間歇式摩擦方式，在每一次的高速摩擦后，涂層表面都會形成熱應(yīng)力，而在相同刮削深度條件下，低進給速率時葉片刮削涂層的時間長，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行對磨，因此會造成熱應(yīng)力不易擴散，從而累積形成熱應(yīng)力區(qū)，當熱量達到一定程度時，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)致嚴重的塑性變形、畸變，因此在進給速率Vinc為5μm/s時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)象說明有切槽機制發(fā)生。在高進給速率時，刮削次數(shù)少，單次刮削深度大，形成的熱應(yīng)力較少且容易擴散，因此對葉片的磨損較少，涂層表面也平整、光滑說明是切削機制。

圖6 試驗過程轉(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度、延展性、面心立方結(jié)構(gòu)和化學親和力，使其具有很強的粘附轉(zhuǎn)移傾向[7]，試驗過程中的相關(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監(jiān)測，綠色曲線顯示的是試驗過程中溫度變化。本試驗設(shè)定溫度為450℃，當轉(zhuǎn)速達到額定值后即在A點開始刮削，在B點處刮削試驗結(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，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AlSi/hBN封嚴涂層和TC4葉片在溫度為450℃，線速度為300m/s，進給深度500μm條件下進行高速刮削試驗，研究了5μm/s、50μm/s、480μm/s三種不同進給速率對涂層及葉片的磨耗行為及磨耗機制的影響，分析得出以下結(jié)論：

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

（2）隨進給速率的增加，AlSi/hBN涂層磨耗機制從切槽、葉片材料的熔融粘附、過熱氧化到切削轉(zhuǎn)變；對磨葉片的主要磨耗機制是從犁溝、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)果更為嚴重，說明在450℃服役溫度下AlSi/hBN封嚴涂層可磨耗性降低。