發(fā)動機用AlSi/BN、CuAl/NiCg封嚴涂層可磨耗性研究

王剛，滕佰秋，王志宏，李曉欣，劉建明，劉通

（1.沈陽航空發(fā)動機設計研究所，沈陽 110015；2.北京礦冶研究總院，北京 100160）

航空發(fā)動機是在高溫、高壓、高速旋轉的惡劣環(huán)境條件下長期可靠工作的復雜熱力機械，是典型的知識和技術高度密集的軍民兩用高科技產品，其研制技術難度大、周期長、耗資多，被稱為“機械行業(yè)的皇冠”。資料表明，航空發(fā)動機葉尖漏氣損失約占發(fā)動機整機效率損失的10%～40%[1]?？赡ズ姆鈬劳繉幼鳛闋奚屯繉討糜陟o子部件與轉子部件之間，涂覆在靜子部件上，發(fā)動機工作的最初的幾個循環(huán)中，轉子部件將與其對應的可磨耗涂層切出密封運行軌跡，以補償發(fā)動機工作環(huán)境下的載荷和溫度等造成的轉靜子幾何形狀變化，達到氣路密封、防止氣體泄漏、提高發(fā)動機效率。因為可磨耗封嚴涂層由于生產工藝簡便、維護和性能調整簡易、封嚴效果好等優(yōu)點而在航空發(fā)動機及地面燃氣輪機上得到了廣泛應用，在提高發(fā)動機效率和降低油耗方面發(fā)揮了顯著的作用[2-5]。

AlSi/BN、CuAl/NiCg封嚴涂層是中低溫應用環(huán)境中的典型封嚴材料，主要用于航空渦輪發(fā)動機壓氣機的氣路封嚴。本文利用高溫高速可磨耗試驗機，在模擬航空發(fā)動機典型工況環(huán)境下，進行了兩種涂層與TC4合金模擬葉片配副的可磨耗性試驗研究。

1. 實驗材料和設備

實驗選用北京礦冶研究總院研制的AlSi/BN復合粉末（KF-121），在TC4合金基體上采用等離子噴涂AlSi/BN封嚴涂層試樣，選用北京礦冶研究總院研制的CuAl/NiCg復合粉末（KF-122），在GH4169合金基體上火焰噴涂CuAl/NiCg封嚴涂層試樣，涂層厚度約為2.0mm。實驗采用TC4合金模擬葉片，葉尖高度3mm，厚度為0.7mm，寬度為10mm。

本實驗采用北京礦冶研究總院的BKYHVT300/800 型高溫高速可磨耗試驗機，該設備的最高轉速為15000RPM，最大線速度可達到350m/s，進給速率為5～500μm/s，最高試驗溫度可達800℃。根據AlSi/BN涂層和CuAl/NiCg涂層特點及其發(fā)動機上應用的典型工況，結合試驗設備能力，選擇試驗參數如表1所示。

表1 WC-17Co涂層的摩擦磨損試驗參數、磨損體積和摩擦系數Table 1 Parameters，wear volume and frictional coefficient of tribotests on WC-17Co coating

采用體視顯微鏡觀察了刮削磨耗試驗后涂層和葉片的宏觀形貌，定量分析了試驗后兩種涂層的刮削深度、葉片磨損高度和總磨耗深度。

2 結果分析

2.1 涂層和葉片磨耗的宏觀形貌

對可磨耗試驗后的涂層和模擬葉片進行宏觀形貌觀察，如圖1所示。

由圖1可知：在5μm/s進給速率時，AlSi/BN涂層磨耗表面有較明顯凹槽，局部有過熱“燒黑”現象，葉片葉尖磨損較嚴重，且葉尖表面在高度方向參差不齊；而CuAl/NiCg涂層磨耗表面磨痕較淺，但有剝落痕跡，葉片葉尖磨損較嚴重，但葉尖表面在高度方向上較平整。在50μm/s進給速率時，AlSi/BN涂層磨耗表面有凹槽磨痕，葉片葉尖有輕微磨損，葉尖表面在高度方向整體平整，但局部有明顯凸起和凹槽；CuAl/NiCg涂層磨耗表面平整，局部有輕微剝落痕跡，葉尖表面在高度方向上較平整。在480μm/s進給速率時，AlSi/BN涂層磨耗表面有輕微凹槽磨痕，葉片葉尖磨損輕微，高度方向較平整；CuAl/NiCg涂層磨耗表面平整，葉尖表面在高度方向上較平整。

圖1 不同試驗參數條件下涂層與模擬葉片宏觀形貌圖Fig.1 The macro morphology of the coating and the blade simulation diagram under different test conditions

2.2 涂層刮削深度、葉片磨損高度和總磨耗深度

對可磨耗試驗后的涂層試樣和模擬葉片進行宏觀測試。涂層刮削深度、葉片磨損高度及總磨耗深度等測量和計算結果，如表2所示。

表2 涂層刮削深度、葉片磨損高度和總磨耗深度Table 2 Scraping depth of the coating, wear height of the blade and the total wear depth

由表2可知，在溫度為450℃，線速度為300m/s，進給速度5～480μm/s，進給深度500μm條件下：在不同進給速率下AlSi/BN涂層的刮削深度均大于進給深度，而對磨葉片的高度減少均低于進給深度；不同進給速率下CuAl/NiCg涂層的刮削深度均小于進給深度，而對磨葉片的高度減少均大于進給深度；在相同進給速率下AlSi/BN涂層與相比CuAl/NiCg涂層刮削深度更大、葉片磨損高度更小。

2.3 試驗結果分析與討論

根據AlSi/BN涂層的特性和在發(fā)動機上試驗試車的使用經驗分析，工況條件下AlSi/BN涂層相對較軟、較粘，工況磨耗時容易在葉尖形成“積屑瘤”，圖1中AlSi/BN涂層和葉尖磨耗表面凹槽形貌就是“積屑瘤”導致的。“積屑瘤”磨耗時對涂層產生擠壓作用，導致涂層硬化、可磨耗性降低；此外“積屑瘤”還可能粘附在葉尖，粘附在葉尖的“積屑瘤”的微裂紋有可能擴展到葉片基體中，引起葉片損傷。在本試驗中，相同的進給深度，進給速率最低時，磨耗時間最長，由于磨耗時“積屑瘤”的存在，葉片磨損最嚴重；另外大進給速率時，葉尖對涂層產生更大的切向撕扯作用，導致涂層刮削深度隨進給速率增加而增加。

根據CuAl/NiCg涂層的特性和在發(fā)動機上試驗試車的使用經驗分析，工況條件下CuAl/NiCg涂層相對較硬、較脆，工況磨耗時不易在葉尖形成“積屑瘤”，圖1中CuAl/NiCg涂層和葉尖磨耗表面整體平整，涂層局部有輕微剝落未見凹槽痕跡，也說了本試驗中未形成“積屑瘤”。在本試驗中，葉片磨損高度變化不大，說明由于沒有“積屑瘤”形成，且CuAl/NiCg涂層相對較硬、較脆，葉片磨損主要受進給深度影響；進給速率最大時的涂層刮削深度最深，主要是大進給速率時，葉尖對涂層產生更大的切向撕扯作用導致的。

在本試驗中，在不同進給速率下，AlSi/BN涂層的刮削深度均大于對磨葉片的磨損高度，CuAl/NiCg涂層的刮削深度均小于對磨葉片的磨損高度；在相同進給速率下AlSi/BN涂層與相比CuAl/NiCg涂層刮削深度更大、葉片磨損高度更小；這也說明了AlSi/BN涂層比CuAl/NiCg涂層硬度更低。根據試驗結果分析，目前兩種涂層各有優(yōu)點，AlSi/BN涂層較軟、對葉片磨損較小，但磨耗時容易在葉尖形成“積屑瘤”，該涂層在發(fā)動機設計選用和應用中需對涂層工況環(huán)境和結構等給予考慮；而CuAl/NiCg涂層硬度略高，葉片的磨損高度大于涂層的刮削深度，但涂層較脆，磨耗時不易在葉尖形成“積屑瘤”。因此，建議涂層研制單位進一步針對兩種涂層進行優(yōu)化研究，若能降低CuAl/NiCg涂層硬度，其將會是一種與鈦合金葉片配副的更好的可磨耗性封嚴涂層。

3 結論

本文對AlSi/BN、CuAl/NiCg封嚴涂層和TC4葉片配副在450℃，進給深度500μm，線速度為300m/s，進行刮削可磨耗試驗，研究了進給速率分別為5μm/s、50μm/s、480μm/s時涂層的磨耗表面形貌、刮削深度和葉片磨損高度，結果如下：

（1）AlSi/BN涂層在不同進給速率下的刮削深度均大于TC4葉片的磨損高度，涂層磨耗表面有凹槽，磨耗時有“積屑瘤”產生。

（2）CuAl/NiCg涂層在不同進給速率下的TC4葉片磨損高度為涂層刮削深度的2～4倍，涂層磨耗表面整體平整，局部有輕微剝落，磨耗時未產生“積屑瘤”。

（3）目前兩種涂層各有優(yōu)缺點，AlSi/BN涂層較軟、對TC4葉片磨損較小，但磨耗時有“積屑瘤”形成；CuAl/NiCg涂層對于TC4葉片偏硬，葉片的磨損高度大于涂層的刮削深度，可磨耗性不足，但磨耗時不易產生“積屑瘤”。