某型艦輔汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽封軸頸磨損改性修復(fù)及其摩擦磨損性能研究

蘇新勇，劉基凱，楊秀紅

(青島前進(jìn)船廠，山東青島 266001)

某型艦自2006年10月服役以來(lái)，部分輔汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽封軸頸存在磨損嚴(yán)重、原鍍鉻層脫落等現(xiàn)象，造成密封失效。汽輪輔機(jī)是以蒸汽為動(dòng)力吹動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)做功，蒸汽做功后剩余的廢汽則通過(guò)廢汽管排出。為了防止蒸汽從機(jī)體內(nèi)泄漏出來(lái)，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子靠近葉輪處設(shè)置了汽封。理想狀態(tài)下，炭精密封環(huán)與軸頸有一定的間隙，炭環(huán)與軸頸的冷態(tài)直徑間隙為0.05～0.10 mm。但在實(shí)際運(yùn)行中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)有一定的跳動(dòng)量，轉(zhuǎn)子軸頸和炭精密封環(huán)總是有摩擦的，并導(dǎo)致軸頸表面磨損，間隙增大，蒸汽泄漏，影響整機(jī)運(yùn)行的技戰(zhàn)術(shù)性能?；谶@一情況，為提高汽封軸頸表面的耐磨耐腐性，生產(chǎn)廠家在新品制造時(shí)，對(duì)汽封軸頸表面采取了電鍍硬鉻的強(qiáng)化處理措施。但經(jīng)運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，電鍍硬鉻層難以滿足該工況要求。而采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備WC－12Co功能涂層，對(duì)原設(shè)計(jì)為電鍍硬鉻的表面進(jìn)行改性修復(fù)，取得了十分滿意的效果。

1 試驗(yàn)條件及研究方法

1.1 試件加工及涂層制備

按GB/T 12444－2006《金屬材料 磨損試驗(yàn)方法試環(huán)－試塊滑動(dòng)磨損試驗(yàn)》制備試環(huán)和試塊。

試環(huán)基體材料為45#鋼，采用KY－HVO/AF多功能超音速火焰噴涂系統(tǒng)在外環(huán)面制備WC－12Co涂層，噴涂工藝參數(shù)如表1所示，制備的涂層經(jīng)金剛石砂輪磨削后厚度為0.35 mm。對(duì)比試環(huán)基體材料為45#鋼，外環(huán)面電鍍硬鉻磨削后鍍層厚度為0.15mm。試塊材質(zhì)為炭精 (與實(shí)艦使用的密封環(huán)材質(zhì)相同)，試環(huán)和對(duì)比試環(huán)各2件，試塊4件。

表1 多功能超音速火焰噴涂WC－12Co涂層工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

1)試驗(yàn)設(shè)備。采用MRH－3型數(shù)顯式高速環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試環(huán)－試塊滑動(dòng)磨損試驗(yàn);采用精度為0.1 mg的Fa－1104電子分析天平對(duì)試驗(yàn)前后的試環(huán)和對(duì)比試環(huán)稱重;采用XJP－6/6A金相顯微鏡觀察WC－12Co涂層截面形貌;采用HVS－1000型數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)定WC－12Co涂層顯微硬度，測(cè)試載荷為300 g。

2)試驗(yàn)方法。磨損試驗(yàn)采用干摩擦磨損方式，試驗(yàn)原理如圖1所示。設(shè)定試環(huán)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，試塊保持靜止。試驗(yàn)中載荷為20 N和100 N，每間隔1 min記錄一次摩擦力的大小。

圖1 試驗(yàn)中摩擦副接觸示意圖

根據(jù)如下公式計(jì)算摩擦因數(shù):

式中，f為摩擦力大小，N;F為載荷大小，N。

對(duì)試環(huán)和對(duì)比試環(huán)分別進(jìn)行上述干摩擦試驗(yàn)。在磨損試驗(yàn)前后，將試環(huán)先用三氯乙烷，再用甲醇清洗，清洗后在60℃下進(jìn)行2 h烘干，放入干燥器中，2 h后立即進(jìn)行稱重。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 涂層組織及硬度

圖2為WC－12Co涂層的截面形貌。由圖2可見(jiàn)，制備的涂層無(wú)明顯裂紋、孔洞等缺陷，涂層與基體結(jié)合良好，界面無(wú)明顯缺陷。表2為WC－12Co涂層和電鍍硬鉻的顯微硬度測(cè)試結(jié)果。由表可知，WC－12Co涂層的平均顯微硬度是電鍍硬鉻的1.5倍以上。這是因?yàn)槌羲倩鹧鎳娡可淞魉俣容^高，顆粒具有較高的飛行速度和較低的火焰溫度，在噴涂過(guò)程中能有效抑制WC的分解，提高了涂層的硬度，與電鍍硬鉻相比，WC－12Co涂層抗疲勞強(qiáng)度性能更優(yōu)。

圖2 WC－12Co涂層截面形貌

表2 顯微硬度測(cè)試結(jié)果 HV0.3

2.2 磨損量

表3為試環(huán)磨損失質(zhì)量和試塊體積磨損量，由表3可知，載荷為20 N時(shí)，經(jīng)1.5 h摩擦磨損后，電鍍硬鉻試環(huán)的磨損失質(zhì)量為WC－12Co涂層3倍，試塊的磨痕體積相差不多;載荷為100 N時(shí)，經(jīng)1.5 h摩擦磨損試驗(yàn)后，電鍍硬鉻試環(huán)的磨損失質(zhì)量為WC－12Co涂層的4倍，試塊磨痕體積差別較大。

表3 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

由此可見(jiàn)，與電鍍硬鉻相比，超音速火焰噴涂WC－12Co涂層的耐磨性明顯優(yōu)于電鍍硬鉻層，這主要是因?yàn)閃C－12Co涂層由粘結(jié)相Co和硬質(zhì)相WC組成，軟的粘結(jié)相容易被切削，而涂層中的WC硬質(zhì)陶瓷相可抵抗摩擦過(guò)程中的微切削作用。此外，超音速火焰噴涂具有較低的火焰溫度和較高的焰流速度，因而涂層致密，不易造成應(yīng)力集中，減少了涂層層片整體剝落的可能性，涂層磨損質(zhì)量損失較小。

2.3 磨損表面形貌

圖3為載荷100 N，時(shí)間為1.5 h的試驗(yàn)條件下，WC－12Co涂層和電鍍硬鉻摩擦試驗(yàn)后照片，由圖3(a)可以看出，WC－12Co涂層表面存在粒子剝落，未出現(xiàn)大面積剝落，由此引起的劃痕較淺，表明WC－Co涂層與炭精摩擦?xí)r以接觸疲勞為主，伴隨輕微的磨粒磨損;由圖3(b)可以看出，電鍍硬鉻表面產(chǎn)生較深犁溝并存在大面積剝落現(xiàn)象，表明電鍍硬鉻與炭精接觸摩擦形成兩體磨粒磨損。在磨損過(guò)程中，試環(huán)受到炭精試塊正壓力的持續(xù)作用，損失質(zhì)量逐漸增大;在磨粒磨損過(guò)程中，WC－12Co涂層硬度高，可以顯著阻擋炭精對(duì)其產(chǎn)生切削作用，而電鍍硬鉻硬度較低，因此在磨削過(guò)程中，電鍍硬鉻的質(zhì)量損失明顯高于WC－12Co涂層的質(zhì)量損失。

圖3 試環(huán)磨粒磨損后照片

2.4 摩擦因數(shù)

圖4為載荷為20 N和100 N時(shí)WC－12Co涂層與電鍍硬鉻層摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系。從曲線可以看出，載荷為20 N時(shí)摩擦磨損過(guò)程經(jīng)過(guò)2個(gè)階段，在10 min內(nèi)摩擦因數(shù)迅速增加并穩(wěn)定在一定范圍 (WC－12Co涂層摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.15左右;電鍍硬鉻層摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.26左右)。這主要是因?yàn)閃C－12Co涂層中的粘結(jié)相Co硬度較低，與炭精摩擦過(guò)程中容易發(fā)生塑性變形，炭精顆粒壓入涂層表面產(chǎn)生犁削作用，同時(shí)摩擦副兩個(gè)相互接觸表面較為不平整，存在某些突峰或較大的形貌起伏，摩擦過(guò)程的前10 min內(nèi)需先將這些不平整部位磨平，因此摩擦因數(shù)迅速增加;10min后由于兩個(gè)相互接觸表面相對(duì)磨平，同時(shí)磨損產(chǎn)生的部分粉末進(jìn)入摩擦副，起到一定的潤(rùn)滑作用，磨損程度減小，摩擦因數(shù)也趨于穩(wěn)定，但因摩擦副中炭精硬度很低，摩擦過(guò)程中隨著磨損量的增加，表面磨痕加深，接觸面積增大，因此造成摩擦力逐漸增大，從曲線上看即為摩擦因數(shù)略有增大;穩(wěn)定后WC－12Co涂層的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)小于電鍍硬鉻，這對(duì)摩擦條件下延長(zhǎng)涂層的使用壽命有利。

圖4 不同載荷下WC－12Co涂層和電鍍硬鉻層摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系

載荷為100 N時(shí)WC－12Co涂層與電鍍硬鉻層干摩擦磨損過(guò)程都分為3個(gè)階段。摩擦因數(shù)先增大再減小，最后趨于穩(wěn)定。WC－12Co涂層摩擦因數(shù)20 min后趨于穩(wěn)定，電鍍硬鉻層摩擦因數(shù)30 min后趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閃C－12Co涂層中硬度較高的陶瓷相WC和軟的粘結(jié)相Co，能夠較快地與炭精完成磨合，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。從曲線還可以看出，WC－12Co涂層趨于穩(wěn)定后摩擦因數(shù)在0.35左右，幾乎保持穩(wěn)定不變，而電鍍硬鉻層的摩擦因數(shù)波動(dòng)范圍較大。這也表明在穩(wěn)定磨損階段WC－12Co涂層比電鍍硬鉻更有利于延長(zhǎng)涂層的使用壽命。

3 典型應(yīng)用實(shí)例

某艦于2010年進(jìn)行首次塢修，維修中發(fā)現(xiàn)，該艦輔汽輪機(jī)5臺(tái)給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和3臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的汽封軸頸表面磨損嚴(yán)重，原鍍鉻層發(fā)生脫落、基材出現(xiàn)麻點(diǎn)狀腐蝕凹坑導(dǎo)致汽封面失效，經(jīng)專家組討論通過(guò)，決定采用自主開(kāi)放的“超音速火焰噴涂取代電鍍硬鉻技術(shù)”，對(duì)該艦汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行改性修復(fù)，取得了十分滿意的效果，解決了工程中的燃眉之急。該成果填補(bǔ)了海軍裝備維修保障領(lǐng)域的空白，技術(shù)水平國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，用于改性修復(fù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽封軸頸，可大大提高汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的技戰(zhàn)術(shù)性能，從而延長(zhǎng)其使用壽命。

4 結(jié)論

1)采用超音速火焰噴涂WC－12Co涂層硬度均值為1 188 HV0.3，為電鍍硬鉻層硬度的1.5倍以上，表明該涂層的抗疲勞強(qiáng)度性能更優(yōu)。

2)在時(shí)間為1.5 h，載荷為20 N和100 N的試驗(yàn)條件下，電鍍硬鉻層摩擦磨損質(zhì)量損失分別為WC－12Co涂層的3倍和4倍，這表明WC－12Co涂層的耐磨性能明顯優(yōu)于電鍍硬鉻鍍層。

3)與電鍍硬鉻相比，超音速火焰噴涂制備的WC－12Co涂層能縮短磨合時(shí)間，較快地進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，該階段WC－12Co涂層摩擦因數(shù)低，波動(dòng)范圍小，更有利于摩擦狀態(tài)下延長(zhǎng)涂層的使用壽命。

4)首次采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備WC－12Co涂層對(duì)某型艦輔汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽封軸頸進(jìn)行了改性修復(fù)，是新技術(shù)在新裝備維修保障領(lǐng)域成功應(yīng)用的典范，同時(shí)也為其他艦艇重要裝備技術(shù)保障提供新依據(jù)、新經(jīng)驗(yàn)。

［1］徐濱士.表面工程與維修［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］蘇新勇，查柏林，等.中國(guó)海軍科技報(bào)告:基于超音速火焰噴涂 (HVOF)取代電鍍硬鉻 (EHC)的艦艇裝備維修技術(shù)研究 ［D］.解放軍第四八零八工廠，2007.