葉冠涂層材料接觸剛度和微動磨損實(shí)驗(yàn)

洪 杰 楊 鑫 陳璐璐 張大義

(北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，北京100191)

在振動工況下(如發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、氣流波動、熱循環(huán)應(yīng)力、疲勞載荷等)，兩個(gè)“近似緊固”的接觸表面通常會發(fā)生微米級的小幅度相對運(yùn)動，稱之為微動［1－3］.在航空發(fā)動機(jī)中具有代表性的微動如下:①各種連接件，包括各種螺栓、鉚釘、銷連接和搭接;②各種榫槽配合、花鍵配合，如葉片的榫槽配合;③各種緊配合，如渦輪發(fā)動機(jī)渦輪葉片的葉冠.

微動現(xiàn)象的存在會造成接觸面的磨損，引起結(jié)構(gòu)間發(fā)生松動或破壞，也會加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，嚴(yán)重影響構(gòu)件的疲勞壽命.微動磨損已成為機(jī)械工業(yè)中關(guān)鍵零部件破壞、失效的主要原因之一［4－5］.

國內(nèi)外學(xué)者對微動磨損進(jìn)行了大量的研究.文獻(xiàn)［6－7］通過實(shí)驗(yàn)得出磨損體積和垂直正壓力之間成線性關(guān)系，正壓力越大，其磨損越嚴(yán)重.文獻(xiàn)［8］研究了單根鋁絲的微動磨損和微動疲勞性能，認(rèn)為由微動引起的塑性變形和磨損以及裂紋萌生是電纜疲勞失效的主要原因.張曉宇和蔡振兵等［9－10］分別考察I-800合金的微動磨損特性和鋼-鋼接觸的扭動微動磨損氧化行為.

然而由于沒有宏觀的大幅值相對運(yùn)動，在航空發(fā)動機(jī)工作過程中，微動現(xiàn)象從設(shè)計(jì)、使用、失效分析到維修幾乎未被大家認(rèn)識，在失效分析中，一般只強(qiáng)調(diào)材料質(zhì)量、強(qiáng)度等問題，極少將配合面的微動磨損作為考慮的一個(gè)因素.為了提高設(shè)計(jì)人員對微動磨損的重視和對微動現(xiàn)象進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)分析，作者針對某發(fā)動機(jī)渦輪葉冠涂層材料進(jìn)行了接觸剛度和微動磨損測試.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，由簡支梁激勵系統(tǒng)、摩擦副系統(tǒng)、正壓力加載系統(tǒng)和位移、力傳感系統(tǒng)組成.實(shí)驗(yàn)原理如下:1#摩擦塊位于簡支梁的中間位置處，通過激振器激勵簡支梁第1階彎曲振動，可保證1#摩擦塊在垂直方向上運(yùn)動，通過激光位移傳感器拾取梁中間位置的振動位移信號.通過正壓力加載系統(tǒng)使2#/3#摩擦塊以一定的正壓力與1#摩擦塊接觸，在振動中通過力傳感器拾取摩擦力信號.為了保證摩擦副盡量在垂直方向上振動，水平方向上安裝有水平力監(jiān)測傳感器，實(shí)驗(yàn)過程中保證水平力幅值位于可控最小誤差允許范圍內(nèi).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

帶有涂層的摩擦實(shí)驗(yàn)件見圖2.為模擬不同的接觸方式，其中1#，2#摩擦塊為球面/平面接觸摩擦副，分別在45#鋼基體上堆焊耐磨涂層(某發(fā)動機(jī)渦輪葉片葉冠涂層);1#，3#摩擦塊為柱面/平面接觸摩擦副，3#摩擦塊為整體涂層材料棒.

圖2 帶涂層實(shí)驗(yàn)件

2 接觸剛度實(shí)驗(yàn)

2.1 激振力幅值影響分析

在一階彎曲共振頻率下，改變激振力幅值，通過位移傳感器和力傳感器的測試結(jié)果繪制遲滯曲線，計(jì)算不同激振力幅值下的接觸剛度，結(jié)果如圖3所示.

圖3 接觸剛度隨激振力幅值變化關(guān)系

隨著激振力幅值從6 N上升至12 N，接觸剛度呈現(xiàn)小幅值的先增大后下降的趨勢.激振力幅值增加的直接影響是振動位移幅值的增加.一般來講，對于循環(huán)次數(shù)小于105次的低周微動，接觸剛度一般不隨振動位移幅值發(fā)生變化［4］.但當(dāng)振動幅值逐漸增大時(shí)，接觸區(qū)域從粘滯或部分滑移逐漸過渡至滑移區(qū).工作狀態(tài)相對穩(wěn)定時(shí)，部分滑移區(qū)域內(nèi)摩擦系數(shù)μ隨位移成正比例變化，在混合區(qū)域(滑移區(qū)域和部分滑移區(qū)域之間)達(dá)到峰值，隨后在滑移區(qū)域隨位移增大而逐漸減小.由于摩擦系數(shù)與接觸剛度近似正比關(guān)系，因此隨著激振力的增加，接觸剛度呈現(xiàn)圖3所示規(guī)律.

2.2 激振頻率影響分析

由于帶有接觸摩擦，簡支梁激振系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，一階共振頻段約為180～200 Hz，測試頻段為150～210 Hz，接觸剛度隨激振頻率的變化關(guān)系如圖4所示.從圖4可以看到，接觸剛度在非共振頻段變化緩慢，經(jīng)歷共振區(qū)后接觸剛度有所升高.在經(jīng)歷共振區(qū)時(shí)，接觸剛度急劇下降至負(fù)值后又快速升高，直至保持穩(wěn)定.

圖4 接觸剛度隨激振頻率變化關(guān)系

對于本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)激振頻率改變同時(shí)帶來振動幅值的改變，達(dá)到共振頻段時(shí)，振動幅值最大，此時(shí)摩擦副表面承受的切向載荷是最高的.由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，達(dá)到最大承載力后結(jié)構(gòu)力-位移曲線進(jìn)入下降段，在曲線的頂點(diǎn)或下降段，結(jié)構(gòu)的剛度為負(fù).因此，接觸面每經(jīng)歷一次共振區(qū)，接觸表面就會產(chǎn)生一定程度的塑性變形和磨損.當(dāng)振動頻率升高時(shí)，磨屑的運(yùn)動速度會逐漸加快，極易從接觸表面溢出.磨屑對基體可以起到一定的潤滑保護(hù)作用，當(dāng)接觸區(qū)域磨屑減少時(shí)，接觸表面容易發(fā)生更大的塑性變形，摩擦系數(shù)升高并且接觸面積增大.根據(jù)文獻(xiàn)［11］的仿真計(jì)算結(jié)果，接觸剛度與摩擦系數(shù)和接觸面積近似成正比關(guān)系，因此經(jīng)過共振頻率后接觸剛度升高.

2.3 正壓力影響分析

實(shí)驗(yàn)中在一個(gè)加載循環(huán)下，測試接觸剛度的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 接觸剛度隨正壓力變化關(guān)系

一般來講當(dāng)正壓力升高時(shí)，接觸剛度會逐漸升高至一定數(shù)值保持穩(wěn)定［12］，但這都是基于無磨損假設(shè)進(jìn)行的短時(shí)間實(shí)驗(yàn)或數(shù)值分析.本文實(shí)驗(yàn)在每一個(gè)正壓力下都進(jìn)行了15 min的持續(xù)加載，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)了450 min.

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，加載時(shí)，正壓力達(dá)到50 N前，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算相符，接觸剛度升高至1.9×107N/mm后基本保持不變.當(dāng)正壓力繼續(xù)升高后，接觸剛度略微下降后快速升高至2.8×10N/mm后保持穩(wěn)定.在卸載階段，整體的變化規(guī)律保持一致，每一個(gè)載荷下的接觸剛度都會顯著大于加載階段的數(shù)值.

從整個(gè)過程來看，在加載和卸載的過程中，接觸表面都發(fā)生了形態(tài)改變.在加載階段，接觸剛度隨著表面磨損程度的不同，從一個(gè)穩(wěn)定階段過渡到下一個(gè)穩(wěn)定階段，并隨著接觸面摩擦系數(shù)的升高和接觸面積的增大，接觸剛度一直升高;在卸載階段，變化規(guī)律相同，但由于磨損的不可逆使得接觸剛度均高于同載荷下的加載階段數(shù)值.

3 微動磨損實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)條件下，磨損難以產(chǎn)生宏觀的尺寸和重量的改變，因此采用光學(xué)顯微鏡觀察接觸區(qū)域表面形態(tài)，分析接觸方式、接觸正壓力和工作時(shí)間對磨損的影響.

3.1 接觸方式影響分析

在20 N正壓力下，經(jīng)歷106次微動循環(huán)，分別觀測兩類摩擦副接觸表面的磨損情況，結(jié)果如圖6所示.

圖6 摩擦副表面磨損情況

對于球面/平面摩擦副，在光學(xué)顯微鏡下，接觸斑明顯可分為由接觸邊緣引起的輕微磨損區(qū)和接觸中心的粘著區(qū).在接觸區(qū)域由于大量顆粒撕裂脫落，形成一較大的凹坑，凹坑的中心位置處偶爾可見程亮色的區(qū)域，象征著此處為磨損較輕的粘滯點(diǎn);粘滯點(diǎn)周圍為磨損較為嚴(yán)重的混合區(qū)和滑移區(qū)，基本呈現(xiàn)黑色;再向外圍是接觸邊緣微滑引起的輕微磨損區(qū)域.

對于柱面/平面摩擦副，由于表面粗糙度等原因?qū)е陆佑|的不均勻性和不完全性，表面存在多個(gè)粘著區(qū)和與之共存的混合區(qū)、滑移區(qū);而對于球面/平面摩擦副則基本符合mindlin模型的滑移圓環(huán)示意圖.同時(shí)可以看到，由于接觸正壓力相同，對于柱面/平面摩擦副接觸面積較大，接觸應(yīng)力較低，磨損較輕;而在相同的正壓力下，球面/平面摩擦副的磨損則較為嚴(yán)重.

3.2 接觸正壓力影響分析

分別在20 N和100 N的正壓力下，進(jìn)行106次微動循環(huán)，在光學(xué)顯微鏡下觀察接觸區(qū)域表面形態(tài)的變化情況.

對于球面/平面摩擦副實(shí)驗(yàn)件，加大正壓力將會使接觸斑的面積增大，黑色部分明顯增多，微動磨損更嚴(yán)重.如圖7所示.

圖7 不同正壓力球面/平面摩擦副表面磨損情況

對于柱面/平面摩擦副實(shí)驗(yàn)件，在較大的正壓力下，振動初期的接觸面積和接觸方式是相同的(如圖8所示初始接觸線1)，但在較大的正壓力下，初始接觸區(qū)域的磨損較為嚴(yán)重，劃痕更為明顯，隨著磨損的進(jìn)行，這些位置較為突出的初始接觸區(qū)域厚度逐漸下降，當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，其他未接觸區(qū)域逐漸參與磨損(接觸線2)，接觸面逐漸增大，接觸應(yīng)力降低，磨損情況得到一定改善，但初始接觸區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，在圖9中可見更多的黑色磨損區(qū)域.

圖8 柱面/平面摩擦副表面磨損過程

3.3 微動磨損對接觸剛度的影響

在20N正壓力下，持續(xù)振動70min，根據(jù)測試結(jié)果計(jì)算接觸剛度數(shù)值，繪制變化曲線見圖10.

隨著振動時(shí)間的增加和磨損的進(jìn)行，接觸表面的形態(tài)逐漸發(fā)生變化，其中接觸面積逐漸增大、表面摩擦系數(shù)逐漸升高，都將導(dǎo)致接觸剛度的增大.雖然在測試時(shí)間段內(nèi)，剛度值只上升了15%，對于結(jié)構(gòu)而言不至于產(chǎn)生明顯的動力特性的改變.但在實(shí)際工況下，工作條件更加惡劣，在加工精度和表面強(qiáng)度一定的情況，磨損不但會更加嚴(yán)重，而且可能會產(chǎn)生表面裂紋甚至于掉塊等情況.此時(shí)接觸剛度的改變將會更加劇烈，從而有可能大幅度影響到結(jié)構(gòu)的動力特性.

圖9 不同正壓力柱面/平面摩擦副表面磨損情況

圖10 接觸剛度隨時(shí)間的變化曲線(正壓力為20N)

4 結(jié)論

本文從航空發(fā)動機(jī)葉冠涂層材料的接觸剛度和微動磨損實(shí)驗(yàn)入手，從載荷條件、接觸方式和工作時(shí)間等不同的角度研究了考慮微動磨損情況下接觸剛度的變化規(guī)律和磨損的產(chǎn)生和發(fā)展，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論了各個(gè)因素的影響.

一般來講，消除振動源是防止微動磨損最簡單有效的辦法.但在實(shí)際工作中，振動通常是難以避免的，因此必須通過采取措施去降低微動磨損的破壞.

從實(shí)驗(yàn)中可以看到，材料的嚴(yán)重磨損區(qū)域主要位于滑移區(qū)，在部分滑移區(qū)域和粘滯區(qū)域的損傷則較低，因此首先應(yīng)當(dāng)減少接觸表面間的相對運(yùn)動，使微動盡量位于粘著區(qū).但對于眾多的干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)而言，又需要存在一定的滑移區(qū)來提供必須的摩擦阻尼作用，過分的強(qiáng)調(diào)降低磨損會導(dǎo)致阻尼效果降低，結(jié)構(gòu)由于振動過大導(dǎo)致其它的故障.因此，對于應(yīng)用干摩擦阻尼的結(jié)構(gòu)而言，阻尼和磨損是同時(shí)存在、相輔相成的兩個(gè)重要參數(shù)，如何權(quán)衡二者之間的關(guān)系是設(shè)計(jì)人員必須解決的問題.

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，保證阻尼效果是優(yōu)先解決的問題，在此前提下，可以通過以下幾種方式提高結(jié)構(gòu)的抗磨損性能:

1)通過采用各種表面處理工藝，使材料獲得更具耐磨性和抗疲勞性的特殊的成分與性能.

2)可通過潤滑的方式來實(shí)現(xiàn)降低接觸面間的摩擦系數(shù).潤滑介質(zhì)的存在會減緩接觸面間的微動破壞.

3)選擇剛性小、可承受彈性變形較大的材料能有效的吸收相對滑動的能量，一定程度上會減少表面之間的相互作用.并且，通過選取和匹配材料，利用初期形成的磨屑，能夠起到一定的潤滑效果，也可以降低磨損.

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