三種可磨耗封嚴(yán)涂層的抗腐蝕性能

潘嶠，張騏，王璐，張興華，劉明，孫志華，高蒙，高建

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三種可磨耗封嚴(yán)涂層的抗腐蝕性能

潘嶠1，張騏1，王璐2，張興華1，劉明1，孫志華1，高蒙1，高建1

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100095；2.中國航發(fā)黎明發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

目的研究AHБ，CuAl/NiC和NiCrAl/NiC三種可磨耗涂層的抗腐蝕性能。方法對三種涂層試樣進(jìn)行鹽霧試驗、濕熱試驗和浸泡試驗，并結(jié)合電化學(xué)測試分析不同涂層試樣的抗腐蝕性能。結(jié)果 545 h的鹽霧試驗后，AHБ涂層的表面出現(xiàn)了一處微裂紋，CuAl/NiC涂層表明出現(xiàn)了涂層剝落現(xiàn)象，NiCrAl/NiC涂層的表面狀況相對最好；三種涂層試樣經(jīng)過10個循環(huán)的濕熱試驗后均未見明顯的腐蝕現(xiàn)象；經(jīng)過15 d的浸泡試驗后，NiCrAl/NiC涂層的表面狀況相對較好，而AHБ涂層和CuAl/NiC涂層的表面狀況相對較差；電化學(xué)測試結(jié)果也表明NiCrAl/NiC涂層的防護(hù)性能相對最好。結(jié)論 NiCrAl/NiC涂層的抗腐蝕性能相對較高，而AHБ涂層和CuAl/NiC涂層的抗腐蝕性能相對較低。

可磨耗涂層；抗腐蝕；鹽霧；濕熱；

現(xiàn)役發(fā)動機(jī)廣泛采用鈦合金進(jìn)行結(jié)構(gòu)減重，同時使用高溫合金提高發(fā)動機(jī)的工作溫度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大推重比能力[1—4]。風(fēng)扇和壓氣機(jī)部位的材料主要為鈦合金和一些特殊鋼材，在沖刷等工況條件以及環(huán)境因素的作用下，易發(fā)生磨損和腐蝕等失效[5—6]。隨著艦載機(jī)的發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)的服役環(huán)境愈加嚴(yán)酷，將同時面臨高溫、高濕、鹽霧、凝露等的作用，而風(fēng)扇和壓氣機(jī)是發(fā)動機(jī)氣路中最先接觸海洋氣氛的部位，受海洋腐蝕的影響也最大，因此這些部位的耐蝕性能在一定程度上決定了發(fā)動機(jī)在海洋環(huán)境中的使用壽命和可靠性[7—8]。可磨耗封嚴(yán)涂層的應(yīng)用，將有助于減小發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子的徑向間隙，從而達(dá)到預(yù)防失效及提高使用壽命的目的[9]。目前，國內(nèi)外一些研究人員針對可磨耗封嚴(yán)涂層的環(huán)境適應(yīng)性開展了一些研究工作，部分研究取得了一定的成效[10—12]。

1 實(shí)驗

1.1 材料

在鋁合金基體材料上分別噴涂AHБ(俄羅斯牌號)、CuAl/NiC和NiCrAl/NiC三種不同的可磨耗涂層，實(shí)驗室加速試驗用試樣大小為100 mm×50 mm，使用絕緣膠進(jìn)行封邊處理。

1.2 方法

按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對三種涂層試樣分別進(jìn)行了鹽霧試驗、濕熱試驗和浸泡試驗。參照標(biāo)準(zhǔn)分別為：GJB 150.11—1986，GJB 150.9—1986和ASTM G31-72（2004）。

使用單反相機(jī)對試驗前后的試樣拍攝高清宏觀照片，獲得試樣在該環(huán)境下的表面腐蝕狀況。

電化學(xué)阻抗測試系統(tǒng)采用三電極體系，以飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑電極為輔助電極。測試面積為1 cm2，測試前試樣在3.5％NaCl溶液中浸泡至電位穩(wěn)定后開始測量。測試頻率為0.01~100 000 Hz，測試點(diǎn)數(shù)為30個。

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽霧試驗結(jié)果

經(jīng)歷545 h鹽霧試驗前后的AHБ，CuAl/NiC、NiCrAl/NiC涂層試樣的宏觀形貌照片如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，初始AHБ試樣表面較為平整，各處顏色均勻，呈淺灰色，無法直接觀測到裂紋；經(jīng)過545 h后，涂層顏色發(fā)生較大改變，呈亮灰色，并出現(xiàn)了裂紋。試樣表面顏色的變化主要是由于部分NaCl晶體的附著導(dǎo)致。初始CuAl/NiC試樣表面較為平整，各處顏色均勻，呈米黃色，無法直接觀測到裂紋；經(jīng)過545 h后，試樣表面有較為明顯的涂層剝落現(xiàn)象，并且有較大面積的淺綠色反應(yīng)產(chǎn)物。由于涂層中含有銅元素，因此可推測出現(xiàn)的大面積淺綠色反應(yīng)產(chǎn)物為銅的氯化物。初始NiCrAl/NiC試樣表面較為平整，各處顏色均勻，呈淺灰色，無法直接觀測到裂紋；545 h后，試樣下方的封邊處出現(xiàn)了淺綠色流痕。由上述分析可知，三種涂層經(jīng)過545 h的鹽霧試驗后， CuAl/NiC涂層已經(jīng)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的腐蝕，AHБ涂層表面觀察到了裂紋，而NiCrAl/NiC涂層的表面狀況相對較好。

2.2 濕熱試驗結(jié)果

經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)濕熱試驗后，三種涂層試樣的宏觀形貌照片如圖2所示。由圖2可知，與初始試樣相比，經(jīng)過10個循環(huán)的濕熱試驗后，三種涂層試樣表面均較為平整，沒有腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)，僅顏色稍有加深。因此，經(jīng)過10個循環(huán)的濕熱試驗后，三種涂層試樣均保持較好的表面狀況。

2.3 浸泡試驗結(jié)果

經(jīng)歷15 d浸泡試驗前后三種涂層試樣的宏觀形貌照片如圖3所示。由圖3可知，經(jīng)過15 d浸泡試驗后，AHБ涂層試樣表面有較明顯的晶體附著； CuAl/NiC涂層試樣表面出現(xiàn)淺綠色的反應(yīng)產(chǎn)物，推斷生成了銅的氯化物；NiCrAl/NiC涂層試樣表面的部分區(qū)域有晶體附著，但沒有觀察到明顯的涂層反應(yīng)產(chǎn)物。三種涂層試樣經(jīng)過15 d的浸泡試驗后均未觀察到明顯的基體腐蝕現(xiàn)象。

2.4 電化學(xué)測試結(jié)果

圖4為經(jīng)歷不同時間的浸泡試驗后AHБ涂層試樣的Nyquist阻抗譜圖。由圖4可知，當(dāng)交流電頻率較高時，經(jīng)過不同浸泡天數(shù)的AHБ涂層試樣阻抗變化不明顯，在曲線初始階段幾乎重合，而且阻抗值很低。這是由于高頻交流電更容易通過涂層表面與浸泡液之間形成的雙電層結(jié)構(gòu)，同時忽略了一部分極化電阻的影響。當(dāng)交流電的頻率降低到中頻段時，經(jīng)過不同浸泡天數(shù)的涂層試樣的阻抗值開始顯現(xiàn)出不同，表現(xiàn)在Nyquist曲線在中間段出現(xiàn)分離。到低頻段后，曲線間的離散度更為明顯。

在浸泡1 d后，涂層試樣表面狀況開始發(fā)生變化，表現(xiàn)為阻抗值的下降，中頻的容抗弧以及低頻擴(kuò)散尾的形成。浸泡3 d后，涂層的性能下降明顯，中頻段阻抗降低到相對最低值。這可能是由于在浸泡初期，AHБ涂層表面存在電位紊亂的局部區(qū)域，在外界條件的作用下，局部區(qū)域易形成微小的點(diǎn)蝕坑，從而形成電流的局部通路，使得阻抗顯著下降。浸泡5 d后的試樣所對應(yīng)的測試結(jié)果顯示，涂層的阻隔性能有所恢復(fù)。這可能是涂層與浸泡液中的Cl-反應(yīng)后形成的反應(yīng)產(chǎn)物堵塞了浸泡初期形成的微孔，從而使得局部的電流通道被阻斷，進(jìn)而使得阻抗值回升。

隨著浸泡時間的進(jìn)一步延長，各個階段試樣對應(yīng)的Nyquist曲線所呈現(xiàn)的規(guī)律性不強(qiáng)。產(chǎn)生這種情況的原因可能是由于隨著浸泡時間的延長，一方面浸泡液中的Cl-對涂層的破壞程度在逐漸加深，使得阻抗趨于減小；另一方面涂層與浸泡液的反應(yīng)產(chǎn)物又不斷生成，并堵塞一部分損傷區(qū)域，使得阻抗趨于回升，兩方面的共同作用導(dǎo)致了此試驗結(jié)果。

圖5為經(jīng)歷不同時間的浸泡試驗后CuAl/NiC涂層試樣的Nyquist阻抗譜圖。由圖5可知，當(dāng)交流電頻率較高時，經(jīng)過不同浸泡天數(shù)的CuAl/NiC涂層試樣阻抗變化不明顯，在曲線初始階段幾乎重合，而且阻抗實(shí)部、虛部數(shù)值均很低，接近于0。當(dāng)交流電頻率降低到接近中頻段時，所有經(jīng)過浸泡的試樣所對應(yīng)的Nyquist曲線即與初始試樣的曲線逐漸分離，并且阻抗值降低，但相互之間仍然保持了較高的重合度。這說明CuAl/NiC涂層在經(jīng)過1 d的浸泡試驗后就已經(jīng)被破壞，后續(xù)的浸泡試驗雖然使得試樣表面的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)一步增多，但是并未起到堵塞微孔的作用。從而也說明了經(jīng)過更長時間浸泡試驗的涂層試樣對應(yīng)的Nyquist曲線沒有明顯波動的原因。因此，可推斷CuAl/NiC涂層表現(xiàn)出的抗腐蝕性能相對較弱。

圖6為經(jīng)歷不同時間的浸泡試驗后NiCrAl/NiC涂層試樣的Nyquist阻抗譜圖。由圖6可知，當(dāng)交流電頻率較高時，經(jīng)過不同浸泡天數(shù)的NiCrAl/NiC涂層試樣阻抗變化不明顯，在曲線初始階段幾乎重合，而且阻抗實(shí)部、虛部數(shù)值均很低，接近于0。當(dāng)交流電頻率較低到中頻段后，經(jīng)過不同浸泡天數(shù)的涂層試樣的阻抗值開始顯現(xiàn)出不同，表現(xiàn)為Nyquist曲線在中間段出現(xiàn)分離。到低頻段后，曲線間的分離程度更為明顯。

與AHБ涂層試樣的測試結(jié)果不同，經(jīng)過不同浸泡天數(shù)的NiCrAl/NiC涂層試樣所對應(yīng)的Nyquist曲線呈現(xiàn)了規(guī)律性的變化，而且隨著浸泡時間的延長，阻抗值逐漸增大。這種反向的規(guī)律可能是由于涂層與浸泡液中的Cl-反應(yīng)后生成的反應(yīng)產(chǎn)物起到了堵塞微孔的作用，進(jìn)而減小了形成電子通路的有效面積。隨著浸泡時間的延長，反應(yīng)產(chǎn)物逐漸在表面累積，使得不導(dǎo)電層的厚度持續(xù)增加，從而導(dǎo)致阻抗的上升。這種結(jié)果也與浸泡試驗的宏觀照片信息相一致。因此，可推斷NiCrAl/NiC涂層表現(xiàn)出了相對較好的抗腐蝕性能。

3 結(jié)論

1）545 h的鹽霧試驗后，NiCrAl/NiC涂層的表面狀況相對較好，而AHБ涂層和CuAl/NiC涂層的表面狀況相對較差。

2）三種涂層試樣經(jīng)過10個循環(huán)的濕熱試驗后均未見明顯的腐蝕現(xiàn)象。

3）經(jīng)過15 d的浸泡試驗后，NiCrAl/NiC涂層的防護(hù)效果相對較好，而AHБ涂層和CuAl/NiC涂層的防護(hù)效果相對較差。

4）電化學(xué)阻抗測試結(jié)果表明，NiCrAl/NiC涂層的抗腐蝕性能相對較高，而AHБ涂層和CuAl/NiC涂層的抗腐蝕性能相對較低。

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Corrosion Resistance of Three Kinds of Abradable Seal Coatings

PAN Qiao1, ZHANG Qi1, WANG Lu2, ZHANG Xing-hua1, LIU Ming1, SUN Zhi-hua1, GAO Meng1, GAO Jian1

(1.Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China; 2.AECC Liming Aero-engine Corporation, Shenyang 110043, China)

Objective To research the corrosion resistance of three kinds of abradable seal coatings, including AHБ, CuAl/NiC and NiCrAl/NiC. Methods The corrosion resistance of the three kinds of coatings was analyzed by salt spray test, thermal-humidity test and immersion test, in combination with electrochemical testing. Results After salt spray test of 545 hours, NiCrAl/NiC coating revealed a relatively better property compared to that of AHБ and CuAl/NiC since a macro crack was found on AHБ coating and coating pill-off happened on CuAl/NiC; no obvious change was found during 10 days’ thermal-humidity test; while after 15 days’ immersion test, NiCrAl/NiC coating still showed a more stable situation than the other two coatings; the electrochemical results also provided a reliable evidence that NiCrAl/NiC had the best corrosion resistance among those three kinds. Conclusion The NiCrAl/NiC coating has relatively better corrosion resistance compared to that of AHБ and CuAl/NiC coatings.

abradable seal coating; corrosion resistance; salt spray; thermal-humidity

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.018

TJ04；TG174.4

A

1672-9242(2017)06-0093-04

2017-04-11；

2017-05-03

潘嶠（1988—），男，湖北人，碩士，主要研究方向為腐蝕與防護(hù)、材料學(xué)。