高速刮擦下Ti6Al4V葉片與NiAl-BN涂層的磨損行為

薛偉海，高禩洋，張佳平，2，段德莉，劉陽，李曙

（1.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016；2.沈陽黎明航空發(fā)動機（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

封嚴(yán)涂層作為飛機發(fā)動機的氣路密封配副，可減小葉片與機匣的間隙，提高發(fā)動機效率，降低油耗，增加飛機的運行安全性，在航空發(fā)動機中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

封嚴(yán)涂層噴涂在機匣內(nèi)壁與葉片相對的位置，這樣設(shè)計時可以預(yù)留足夠小的間隙。當(dāng)葉片由于高速旋轉(zhuǎn)、熱膨脹、發(fā)動機速度改變引起的振動等原因發(fā)生伸長時，首先刮擦封嚴(yán)涂層，產(chǎn)生與葉尖外形相襯的磨痕，從而保持間隙最小。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，高速刮擦下封嚴(yán)涂層對葉片的磨損應(yīng)該盡量小，即不損傷葉片；同時要求刮擦產(chǎn)生的磨痕光滑，這樣有利于空氣的流動；刮擦產(chǎn)生小的磨屑，以免破壞下游部件。

自1960年起，國外就利用自行設(shè)計的刮擦試驗機研究封嚴(yán)涂層的磨損行為，以指導(dǎo)其設(shè)計與應(yīng)用。Borel通過高速刮擦試驗后對葉片重量和涂層磨痕粗糙度的測量，得到了AlSi-plastic和Nickel-graphite兩種封嚴(yán)涂層的磨損機制圖[4]。Ghasripoor用蘇爾壽的高速刮擦試驗機研究了AlSi-polyester、AlSi-graphite和AlSi-hBN三種低溫段封嚴(yán)涂層高速下的磨損機制,可指導(dǎo)其應(yīng)用[5]。Bill研究了三類封嚴(yán)涂層在不同試驗條件下的磨損機制，發(fā)現(xiàn)涂抹加速葉片的磨損，而低入侵率促進(jìn)涂抹[6]。Dadouche關(guān)注高速刮擦?xí)r不同溫度下封嚴(yán)涂層的刮擦機制，得出高溫下葉片磨損減輕而涂層磨痕更粗糙的結(jié)論[7]。Bounazef用高速刮擦試驗機模擬了飛機起飛、巡航、降落等不同運行狀態(tài)下封嚴(yán)涂層與對摩葉片的刮擦，得到了對摩體系在不同線速度與入侵率下的磨損機制[8]。以上研究極大的促進(jìn)了人們對封嚴(yán)涂層與對摩葉片高速刮擦下磨損行為的認(rèn)識，是封嚴(yán)涂層設(shè)計與應(yīng)用不可或缺的寶貴資料。

由于缺乏相應(yīng)的可模擬封嚴(yán)涂層實際應(yīng)用工況的高速刮擦試驗機，國內(nèi)研究偏重于對封嚴(yán)涂層進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)分析，配合硬度和常規(guī)的摩擦磨損試驗來研究封嚴(yán)涂層的磨損行為，實驗條件與實際工況相差較大，對封嚴(yán)涂層應(yīng)用的指導(dǎo)意義有限[9-10]。本課題組于2006年自行設(shè)計研發(fā)了國內(nèi)首臺高速刮擦試驗機[11]，并開展了飛機發(fā)動機篦齒裂紋溯源分析、鋁硅聚酯涂層和鎳石墨涂層高速刮擦下磨損行為研究等工作，為飛機發(fā)動機研發(fā)制造部門提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

NiAl-BN涂層是國內(nèi)自主研發(fā)的一種用于壓氣機中的封嚴(yán)涂層，然而，目前尚未見其高速刮擦試驗研究，這嚴(yán)重制約了其應(yīng)用。因此，本文采用高速刮擦試驗機，研究了NiAl-BN封嚴(yán)涂層與TC4鈦合金模擬葉片這一對摩體系在高速刮擦下的磨損行為，對于NiAl-BN涂層的應(yīng)用具有工程價值，同時對于理解高速刮擦下材料的磨損行為具有理論意義。

1 實驗

1.1 實驗材料

封嚴(yán)涂層選擇壓氣機中常用的NiAl-BN涂層，BN的重量百分比在25%左右，孔隙率約為20%。利用空氣等離子噴涂工藝，噴涂在不銹鋼底板上，涂層的厚度約為2mm。NiAl-BN涂層的截面形貌如圖1所示，其中白色較亮部分為金屬相，主要提供涂層所需的強度，灰色部分為固體潤滑相BN，起減摩和防止涂層向葉片轉(zhuǎn)移的作用，模糊的黑色區(qū)域為孔洞。首先用磨床將涂層樣品的表面磨平，再用砂紙打磨至Ra約為6μm，放入干燥器中備用。

圖1 NiAl-BN封嚴(yán)涂層的截面形貌Fig.1 The section morphology of NiAl-BN seal coating

本試驗中的模擬葉片樣品采用廣泛應(yīng)用于飛機發(fā)動機壓氣機葉片的鈦合金材料，合金牌號為TC4。試驗前葉片樣品用電火花線切割技術(shù)加工成所需的形狀，正方體樣品的端面尺寸為4mm×4mm，表面用砂紙打磨至Ra約為0.5μm，經(jīng)超聲波清洗、冷風(fēng)吹干后放入干燥器備用。

1.2 實驗條件

高速刮擦試驗在本研究組自主研制的高速刮擦式摩擦磨損試驗機[11]上進(jìn)行。試驗時，葉片（轉(zhuǎn)動樣品）和涂層（平動樣品）分別安裝到高速轉(zhuǎn)盤和進(jìn)給系統(tǒng)的夾具上，設(shè)定入侵率、入侵深度和線速度，開機后待線速度達(dá)到設(shè)定值后進(jìn)行葉片端面入侵涂層的刮擦。本文采用的試驗條件為：入侵率0.02mm/s，入侵深度0.4mm，線速度：30m/s、60m/s、90m/s、120m/s、150m/s。試驗前后葉片和涂層樣品的重量用精度0.1mg的電子天平稱量。每個試驗條件至少重復(fù)三次，失重數(shù)據(jù)取平均值。

1.3 表征分析

采用FEI INSPECT F50型掃描電鏡（SEM）觀察葉片端面的磨損形貌和涂層的磨痕形貌，并用配備的X-射線能譜儀（EDX）分析磨痕表面的元素成分。用美國KLA－ADE公司的白光干涉儀觀察葉片磨損端面的三維形貌。試驗后用致密化因子Sd[12]表征涂層的致密化程度，Sd越大表明涂層致密化越嚴(yán)重。致密化因子計算中所用的涂層磨痕體積的測量采用文獻(xiàn)[13]中介紹的方法，利用2206B型表面粗糙度儀測定磨痕截面積。用LM247型顯微硬度計測量磨痕表面的維氏顯微硬度值，載荷為10g，保壓時間15s。

2 實驗結(jié)果

2.1 葉片與涂層的高速刮擦試驗結(jié)果

本文的試驗條件是入侵率和入侵深度保持不變，線速度不同。因此，不同線速度下葉片與涂層對摩的磨程不同，150m/s時的磨程是30m/s時的5倍。本文定義葉片磨損失重與磨程的比值為磨損率來表示葉片的磨損。涂層的磨損主要受刮擦?xí)r涂層致密化的影響，用涂層的實際失重來表達(dá)。

圖2 不同線速度下葉片磨損率與涂層失重Fig.2 The blade wear rate and the weight variation of the coating at different linear speed

如圖2所示，隨線速度增大，葉片的磨損率成直線下降的趨勢，說明線速度對葉片的磨損率影響顯著。涂層的失重隨線速度增大開始時是略微下降的趨勢，到150m/s時突然上升，預(yù)示著其磨損機制有所改變。

2.2 對摩體系的磨損機制

為了探究NiAl-BN封嚴(yán)涂層與TC4鈦合金模擬葉片這一對摩體系的磨損機制，分別對不同線速度刮擦后涂層和葉片的磨痕形貌進(jìn)行觀察，根據(jù)其差別分為三個階段討論。

2.1.1 線速度30m/s下刮擦的磨損機制

線速度30m/s下刮擦后涂層磨痕的表面形貌如圖3a所示，磨痕中覆蓋有大量片狀物質(zhì)，其余部分發(fā)生了涂層的剝落。片狀物質(zhì)的能譜結(jié)果圖3b顯示其含有Ti、O、Ni和Al元素，且Ti的含量較高，說明片狀物質(zhì)是高速刮擦中葉片材料向涂層發(fā)生轉(zhuǎn)移形成的。即此時涂層的磨損機制為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移，形成了轉(zhuǎn)移層[4]。從圖3c的截面照片中可見轉(zhuǎn)移層（灰色的）的厚度在10μm左右，層內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了裂紋，有即將剝落的小塊，轉(zhuǎn)移層下面緊鄰的涂層有致密化傾向，距離轉(zhuǎn)移層較遠(yuǎn)的部分則看不到這種趨勢。

圖4為線速度30m/s下刮擦后葉片端面磨痕的表面形貌和三維立體形貌。如圖4a、b所示，葉片端面磨痕中布滿犁溝，犁溝深度較大，排布密集，典型的磨粒磨損特征。這源于葉片刮擦涂層的“自沖效應(yīng)”[6]，即疏松的涂層材料被刮擦?xí)r產(chǎn)生的顆粒成為三體磨損中的磨粒，對葉片造成進(jìn)一步的磨損。

圖3 線速度30m/s刮擦后 (a)涂層磨痕表面形貌；(b)位置A處的能譜結(jié)果；(c)涂層磨痕的截面形貌Fig.3 Rubbed at 30m/s (a)the coating wear scar`s surface micrograph；(b) EDX result of position A；(c)the coating wear scar`s section micrograph

圖4 30m/s刮擦后葉片端面磨痕形貌Fig.4 Micrograph of the blade tip`s wear scar rubbed at 30m/s

2.1.2線速度90m/s下刮擦的磨損機制

如圖5所示，線速度90m/s下刮擦后涂層的磨痕形貌與30m/s時類似，同樣為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移的磨損機制。

圖5 90 m/s刮擦后涂層磨痕的表面形貌Fig.5 The coating wear scar`s surface micrograph rubbed at 90m/s

圖6所為線速度90m/s刮擦后葉片端面的磨痕形貌。如圖所示，葉片端面磨痕形貌中存在犁溝和鱗片狀塑性流動(圖6a、b)，從三維形貌圖(圖6c)上可以看出，犁溝密度與深度與30m/s時相比大大減少，此時葉片的磨損機制為犁削和塑性變形。

隨著線速度增大，單次刮削量（一次刮擦中葉片侵入涂層的量）下降，產(chǎn)生的涂層顆粒變小，對葉片的犁削作用減弱，所以90m/s時葉片的犁削磨損比30m/s時有所下降。刮擦線速度增大使摩擦熱效應(yīng)更加顯著，而TC4鈦合金的強度受溫度影響非常大[14]。在刮擦產(chǎn)生的瞬時高溫作用下，葉片軟化嚴(yán)重，更易發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)大量塑性流動。

圖6 線速度90m/s刮擦后葉尖磨損形貌Fig.6 SEM image of rubbed blade tip at 90m/s

2.1.3 線速度150m/s下刮擦的磨損機制

圖7所示是線速度150m/s下刮擦后涂層的磨痕形貌。如圖所示，磨損機制同樣為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移，形成了轉(zhuǎn)移層，與圖3a比較可見，轉(zhuǎn)移層的覆蓋面積大大減少。轉(zhuǎn)移層為水平層狀結(jié)構(gòu)，由葉片材料的連續(xù)涂抹而形成[4]。隨著線速度增大，刮擦次數(shù)增多，轉(zhuǎn)移層表面應(yīng)力產(chǎn)生的裂紋和熱裂紋(如圖8所示)增多，等裂紋連接起來時，在葉片經(jīng)過時的震蕩作用下轉(zhuǎn)移層會發(fā)生剝落[5]。

線速度150m/s下刮擦后葉片的磨損機制與90m/s時類似，為犁削和塑性變形機制。

圖7 線速度150m/s刮擦后的涂層磨痕形貌Fig.7 SEM image of the coating wear scar at 150m/s

圖8 150m/s刮擦后涂層磨痕中的應(yīng)力裂紋與熱裂紋Fig.8 The stress crack and thermal crack in the coating wear scar rubbed at 150m/s

3 討論

在常規(guī)的摩擦磨損試驗中，滑動線速度的增大通常伴隨著對摩副磨損率的上升，因為線速度增大會帶來高的表面溫度，使微凸體接觸區(qū)域的剪切更容易進(jìn)行。在本文的試驗條件下，卻是隨線速度增大葉片的磨損率下降，這必然與本文遠(yuǎn)高于常規(guī)摩擦磨損試驗的線速度、不同線速度下的單次刮削量不同以及特殊的對摩副材料有關(guān)。

如圖9所示，高速刮擦試驗中測得的法向力和試驗后測得的涂層致密化隨線速度增大而下降。入侵率一致、入侵深度固定時，線速度越小則單次切入量越大，法向力越大。前人試驗也得到類似的結(jié)果[15]。NiAl-BN涂層具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，在高法向壓力下被壓實的更嚴(yán)重。所以隨著線速度增大，法向力減小，涂層的致密化減輕。

圖9 不同線速度下的法向力峰值Fig 9.The maximum normal force at different linear speed

如表1所示，線速度增大，磨痕表面轉(zhuǎn)移層的顯微硬度值有減小的趨勢，但均高于未磨涂層，與其他學(xué)者的試驗結(jié)果一致[16]。刮擦前后涂層都發(fā)生了不同程度的致密化且形成轉(zhuǎn)移層，轉(zhuǎn)移層是又厚又硬的[4]，故硬度值較未磨涂層都有所升高(未試驗涂層硬度值在金屬相上打點獲得)。

在30m/s高刮擦線速度帶來的高摩擦閃溫作用下，葉片發(fā)生軟化致被犁削，且30m/s時的刮擦力最大，所以葉片犁削磨損嚴(yán)重。30m/s時涂層的致密化嚴(yán)重，致密層較厚，造成此時葉片向涂層轉(zhuǎn)移形成的轉(zhuǎn)移層硬度最大，進(jìn)一步加劇了葉片的磨損。

隨著線速度增大，刮擦中的法向力和切向力均較小，涂層的致密化程度減輕，磨痕表面轉(zhuǎn)移層顯微硬度值減小，所以涂層對葉片的磨損減輕，葉片的磨損率下降。

表1 不同線速度試驗后涂層磨痕表面金屬相和轉(zhuǎn)移層的顯微硬度Table 1 The Microhardness of the metal phase and transfer layer on the coating wear scar after different linear speed testing

涂層的失重受致密化和涂層剝落影響較大。致密化隨線速度增大而較小，且在150m/s時有一個明顯的轉(zhuǎn)折，下降較快；150m/s時的磨痕形貌分析也顯示此時的熱裂紋與應(yīng)力裂紋較多，涂層剝落嚴(yán)重。這兩點共同作用，使涂層的失重在150m/s時發(fā)生突然的躍升。

4 結(jié)論

本文采用高速刮擦試驗機，研究了NiAl-BN封嚴(yán)涂層與TC4鈦合金模擬葉片這一對摩體系在高速刮擦下的磨損行為。得到的主要結(jié)論如下：

(1)涂層的磨損，較低線速度下為涂層剝落和葉片向涂層轉(zhuǎn)移機制，高速下轉(zhuǎn)移層發(fā)生剝落。較低線速度時，葉片的磨損為犁削機制，隨線速度升高轉(zhuǎn)變?yōu)槔缦骱退苄宰冃螜C制；

(2)在入侵率與入侵深度固定的情況下，線速度增大則單次刮削量減小，從而葉片對涂層的刮擦力減小，涂層的致密化減輕，磨痕表面的硬度下降，葉片的磨損率下降。