張眸睿，常秋梅，李長(zhǎng)銀，梁 瑛，楊 霖

(1. 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110043；2. 北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，北京 100191)

0 前 言

封嚴(yán)技術(shù)一直是決定航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的重要因素。先進(jìn)的封嚴(yán)技術(shù)能減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流的泄漏量，增加發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，降低耗油率，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率[1，2]。據(jù)研究表明，封嚴(yán)泄漏量減少1%，可使發(fā)動(dòng)機(jī)推力增加1%，耗油率降低0.1%[3]。篦齒封嚴(yán)屬于常用的一種非接觸式封嚴(yán)方式，為了提高封嚴(yán)效果，通常將篦齒對(duì)磨的外環(huán)表面設(shè)計(jì)成金屬蜂窩密封團(tuán)結(jié)構(gòu)，或在外環(huán)上噴涂可磨耗封嚴(yán)涂層(如Al/BN、AgCu等)，從而減少篦齒齒頂與外環(huán)間的間隙，降低泄漏量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率。當(dāng)外環(huán)為蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，篦齒與蜂窩對(duì)磨產(chǎn)生摩擦磨損，會(huì)導(dǎo)致篦齒永久變形，造成泄漏量加大，從而加快發(fā)動(dòng)性能衰退，而且磨損物有打傷葉片的風(fēng)險(xiǎn)[4]。

Al2O3·TiO2系列涂層熔點(diǎn)為2 200 ℃左右，通常采用等離子噴涂制備，其化學(xué)性能穩(wěn)定，硬度高，耐磨性好，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種陶瓷涂層[5-7]。不同種類(lèi)Al2O3·TiO2粉末成分、制備方式的不同，所得涂層的性能及使用溫度也各不相同。通常將使用溫度在1 100 ℃以下的Al2O3·TiO2涂層應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒上，以防止篦齒受損，提高零件使用性能。生產(chǎn)中用于篦齒上的Al2O3·TiO2涂層主要有Metco 101B-NS、AMDRY 187、PAC 710B、ALO-159以及北京礦冶集團(tuán)制備的國(guó)產(chǎn)Al2O3·TiO2粉末。目前關(guān)于該類(lèi)涂層性能及在實(shí)體件中的應(yīng)用報(bào)道較少，為此，本工作以某型機(jī)用到的Metco 101B-NS牌號(hào)的Al2O3·TiO2涂層為例，通過(guò)噴涂試片，進(jìn)行了涂層綜合性能分析，基于試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了實(shí)體零件篦齒的噴涂，驗(yàn)證了噴涂效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試片基體材料選用和零基體一致的高溫合金鋼GH4169。顯微組織試片尺寸為40 mm× 20 mm× 2 mm，結(jié)合強(qiáng)度試片尺寸為25 mm× 2 mm，彎曲試片尺寸為100.0 mm×20.0 mm×1.2 mm，GH4169化學(xué)成分如表1所示。

表1 高溫合金鋼GH4169化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 1 Chemical composition of Superalloy steel GH4169(mass fraction) %

在制備Al2O3·TiO2涂層前，需要在基體上先噴涂自粘結(jié)底層，本工作選用Metco 450NS (Ni-Al)粉末制備，粉末化學(xué)成分如表2所示。面層采用Metco 101B-NS (Al2O3·TiO2)粉末，化學(xué)成分如表3所示。

表2 Metco 450NS化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 2 Chemical composition of Metco 450NS powder (mass fraction) %

表3 Metco 101B-NS 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 3 Chemical composition of Metco 101B-NS powder (mass fraction) %

1.2 涂層制備

噴涂前，先用丙酮對(duì)試片進(jìn)行清洗除油，再用36目白剛玉砂對(duì)試片表面進(jìn)行吹砂粗化，吹砂風(fēng)壓為0.3 MPa，然后用壓縮空氣吹除試片表面的浮灰。采用大氣等離子噴涂設(shè)備PT-A2000進(jìn)行底、面層的制備。為了保證噴涂質(zhì)量，通常底層與面層應(yīng)在吹砂后分次在間隔2 h內(nèi)進(jìn)行，噴涂面層應(yīng)在噴涂底層后2 h內(nèi)進(jìn)行。主氣及送粉氣為氬氣，次氣為氫氣，底面層噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表4。由于篦齒噴涂區(qū)為斜面，零件噴涂時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)90°垂直噴涂，因此試片噴涂時(shí)也采用與零件一致的噴涂角度60°。

表4 等離子噴涂工藝參數(shù)Table 4 Plasma spraying process parameters

1.3 涂層性能測(cè)試

1.3.1 顯微組織

將噴涂后的試片切割、打磨、拋光后置于光學(xué)顯微鏡下，對(duì)涂層截面顯微組織分析。

1.3.2 顯微硬度

參考HB 5486進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，將制備好的試樣置于顯微硬度計(jì)下，在5 N負(fù)荷下，選取10個(gè)點(diǎn)分別測(cè)量Al2O3·TiO2面層的顯微硬度。

1.3.3 結(jié)合強(qiáng)度

涂層的結(jié)合強(qiáng)度是涂層重要的力學(xué)性能之一。對(duì)于耐磨涂層，其關(guān)系到強(qiáng)化零件使用的可靠性，涂層結(jié)合強(qiáng)度不良會(huì)引起涂層的剝落，影響其對(duì)篦齒的保護(hù)，而且脫落的涂層很可能打傷葉片。本次拉伸試驗(yàn)參考HB 5476進(jìn)行，以1 mm/min的恒定速率施加載荷，直到涂層發(fā)生斷裂。

1.3.4 彎曲性能

彎曲試驗(yàn)通常用于評(píng)價(jià)涂層塑形變形和結(jié)合強(qiáng)度的綜合性能。該測(cè)試根據(jù)企業(yè)涂層驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，彎曲試驗(yàn)采用的支撐軸直徑為12.7 mm，加壓支點(diǎn)移動(dòng)速度為1～2 mm/min，彎曲角度大于85°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織分析

涂層試樣的顯微組織形貌如圖1所示。通過(guò)長(zhǎng)度法(界面夾雜占整個(gè)界面總長(zhǎng)度的比例)，測(cè)量得出底層與基體界面污染率為8%。通過(guò)面積法(特征區(qū)占整個(gè)視場(chǎng)面積的比例)，測(cè)量得出Ni-Al底層未熔顆粒含量為5%，Al2O3·TiO2未熔顆粒含量為1%，面層孔隙率為4%。

2.2 顯微硬度測(cè)試結(jié)果

顯微硬度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5。可見(jiàn)涂層硬度值分布在717～882 HV之間，平均值約為810 HV，涂層硬度顯然高于基體硬度(300 HV左右)。由此表明，通過(guò)等離子噴涂方法得到的Al2O3·TiO2涂層能顯著提高篦齒硬度及耐磨性，有效保護(hù)篦齒，減小磨損。

表5 涂層不同位置顯微硬度值Table 5 Microhardness values at different positions of coating

2.3 結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

圖2為涂層拉斷界面圖，前2組斷裂面主要為面層之間，第3組存在面層間、底層間2種斷裂。根據(jù)拉伸結(jié)果，通過(guò)計(jì)算得出3個(gè)試驗(yàn)件涂層結(jié)合強(qiáng)度分別為19.2，20.8，20.2 MPa，平均值為20.1 MPa。

2.4 彎曲性能

試片涂層彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，3組試片彎曲后均無(wú)裂紋，無(wú)剝落，表明涂層與基體的結(jié)合狀態(tài)良好。

3 零件噴涂驗(yàn)證

基于以上試驗(yàn)結(jié)果，采用報(bào)廢的篦齒封嚴(yán)盤(pán)進(jìn)行零件噴涂驗(yàn)證，噴涂后的零件篦齒如圖4所示，涂層呈均勻的灰色，無(wú)過(guò)燒變色，涂層無(wú)裂紋、翹起及剝落現(xiàn)象。

分別選取所噴零件篦齒部分的2個(gè)不同位置A、B切割取樣并進(jìn)行金相分析，篦齒截面分別如圖5、6所示。從50倍的金相組織圖(圖5a，6a)中可以看出，齒尖涂層厚度略大，篦齒兩端涂層厚度分布均勻，這是由篦齒的特殊形狀決定的。從200倍的金相組織圖(圖5b，6b)中可以看出，涂層的顯微組織與試片上的基本一致，涂層界面干浄，未熔顆粒少，面層孔隙率小，表明本研究選用的工藝參數(shù)合理，所噴涂涂層性能良好，能很好地對(duì)篦齒起到保護(hù)作用。

采用本研究選擇的工藝參數(shù)對(duì)真實(shí)篦齒零件進(jìn)行了噴涂，并在某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上參加了裝機(jī)試車(chē)考核，發(fā)動(dòng)機(jī)分解后對(duì)零件進(jìn)行檢查，涂層未發(fā)生脫落、掉塊等缺陷，篦齒基體得到了良好的保護(hù)，未發(fā)生任何磨損。

帶有Al2O3·TiO2陶瓷涂層的篦齒零件在經(jīng)歷過(guò)一個(gè)壽命周期后，還可以進(jìn)行返修，將零件表面涂層去除后再次噴涂，零件可繼續(xù)裝機(jī)使用，大大提高了零件的使用壽命，減少了因更換篦齒零件導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本。

4 結(jié) 論

等離子噴涂的Al2O3·TiO2陶瓷涂層具有良好的綜合性能。涂層的結(jié)合強(qiáng)度好，硬度高，且涂層孔隙率小，未熔顆粒少，耐磨性好，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)篦齒封嚴(yán)類(lèi)零件，能有效保護(hù)篦齒，防止篦齒磨損，并提高零件的使用性能，延長(zhǎng)使用壽命。