高溫超高速試驗系統(tǒng)及封嚴涂層評價體系的研究進展

孫建剛，馬春春，王會

（1.北京礦冶科技集團有限公司，北京100160；2.北礦新材科技有限公司，北京102206；3.北京市工業(yè)部件表面強化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京102206）

0 引言

航空工業(yè)的迅速發(fā)展對航空發(fā)動機提出了越來越高的要求，大推力、高效率、低油耗已成為發(fā)動機設(shè)計和制造的總體標[1]。研究發(fā)現(xiàn)，渦輪發(fā)動機的轉(zhuǎn)動部件與機匣的徑向間隙大小對壓氣機、渦輪機的效率、功率和耗油率影響極大?？赡ズ姆鈬劳繉幼鳛闋奚屯繉討?yīng)用于轉(zhuǎn)動部件與機匣之間，能夠有效減小葉尖與機匣之間的間隙從而提高發(fā)動機效率、降低油耗，同時對葉片起到保護作用。美國航空航天局(NASA)研究表明，航空發(fā)動機各部位使用可磨耗封嚴涂層后效率可提高2%以上，油耗可降低2.5%以上[2]。

表征航空發(fā)動機封嚴涂層的主要性能指標有：可磨耗性、抗沖蝕性、涂層與基體結(jié)合強度、抗熱震性和化學(xué)穩(wěn)定性等[1]。其中，可磨耗性及抗沖蝕性是評價封嚴涂層的兩個關(guān)鍵指標。同時，二者又相互矛盾、相互關(guān)聯(lián)。國內(nèi)外對封嚴涂層的可磨耗性進行了相關(guān)的研究。根據(jù)航空發(fā)動機實際工況，建立了各自的試驗機及評價體系，但目前還未形成封嚴涂層可磨耗性統(tǒng)一的評價體系。

1 國外高速高溫可磨耗試驗機及封嚴涂層評價體系的研究進展

1.1 模擬臺架試驗機

德國MTU航空發(fā)動機公司[3]是德國領(lǐng)先的公務(wù)飛機用高涵道比渦扇發(fā)動機部件和組件制造商,該公司研制的模擬工況涂層檢測設(shè)備如圖1所示。該設(shè)備近似于一個尺寸縮小的臺架實驗機。碰磨線速度最高可達500m/s，入侵速率1.5～3000 μm/s，試驗機只能完成低溫段的試驗考核，機匣內(nèi)壁涂層加熱溫度最高為600℃。

圖1 MTU模擬工況涂層檢測設(shè)備[3]Fig.1 MTU simulation condition coating detection equipment[3]

美國 NASA Lewis 研究中心[4]研制的模擬試驗臺架，如圖2所示?？蛇M行葉片和篦齒試驗，其刮擦速度達320m/s，最小入侵速率25.4～254μm/s，通過紅外高溫計實時檢測刮擦溫度，利用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡進行磨屑的研究。通過該試驗臺架可檢測如下參數(shù)：摩擦力、徑向力、轉(zhuǎn)子的溫度、封嚴涂層的溫度、轉(zhuǎn)子部件及封嚴涂層的磨損體積、涂層式樣表面的顯微結(jié)構(gòu)等。

圖2 美國 NASA Lewis 研究中心模擬實驗臺架[4]Fig.2 NASA Lewis research center simulation test bench[4]

1.2 可模擬發(fā)動機工況的試驗機

Sulzer Metco公司在表面涂層研究領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位，1988年其研發(fā)中心研制了一套高溫高速可磨耗性能評價試驗系統(tǒng)[5,6]。系統(tǒng)及原理圖見圖3所示。該系統(tǒng)采用高速攝像頭監(jiān)測刮擦過程及摩擦火花。該試驗機可模擬的葉片葉尖最高線速度達410m/s，涂層試樣進給速率可以在2～2000μm/s之間調(diào)節(jié)，涂層加熱溫度最高至1200℃。該公司建立了封嚴涂層可磨耗性的評價體系，通過檢測封嚴涂層表面粗糙度、葉片磨損量與刮擦速度及入侵速率，繪制三維磨損機制圖對可磨耗性進行表征。

加拿大國家研究院自建了試驗裝置[7]用于封嚴涂層以及蜂窩密封結(jié)構(gòu)的磨耗性能測試，如圖4所示。該試驗裝置采用空氣渦輪作為動力，轉(zhuǎn)子輪盤最高轉(zhuǎn)速可達40000r/min，對應(yīng)最高葉尖線速度425m/s，輪盤上最多可安裝8個模擬葉片；試驗機可實現(xiàn)徑向和軸向的同時進給，進給速率可在2.54～762 um/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；封嚴試樣可為平板結(jié)構(gòu)或圓弧型結(jié)構(gòu)，試樣背面安裝電阻絲加熱器可將其加熱至最高600 ℃工況下進行試驗。試驗機配置多種測試傳感器對試驗過程中的線速度、進給深度、碰磨力、刮擦溫度等參數(shù)進行測量，結(jié)合試驗前后試驗葉片和封嚴試樣的磨損質(zhì)量變化對封嚴材料的磨耗性能進行綜合評定。

圖3 高溫高速可磨圖3 耗性能評價試驗系統(tǒng)[5,6]：(a) 試驗系統(tǒng)照片；(b) 試驗系統(tǒng)原理圖Fig.3 High temperature and high speed abrasion performance evaluation test system[5,6]：(a) test system picture, (b) test system schematic diagram

圖4 加拿大國家研究院的試驗裝置[7]Fig.4 Canadian national research institute test facility[7]

1.3 其他模擬試驗機

美國PWA(Pratt&Whitney Aircraft)公司[8]研制的高速刮削裝置。為解決葉片與涂層刮削時間較短，測量葉尖溫度較難等問題，以敷有涂層的圓盤為高速轉(zhuǎn)動部件，以葉片為徑向進給樣品，如圖5所示。通過測定可刮削封嚴材料與模擬葉片葉尖刮擦過程的能耗，利用測得的溫度分布和一維運動鰭片模型，計算出傳給葉片、可刮削涂層和磨屑的能量分數(shù)，并命名該研究內(nèi)容為“刮擦能量學(xué)”(Rub Energetics)。

圖5 PWA公司的高速可刮削試驗臺架[8]Fig.5 PWA high speed scratch test bench[8]

美國TABER公司的TABER 5135 泰伯磨擦試驗系統(tǒng)（單研磨盤）如圖6所示，該試驗系統(tǒng)是現(xiàn)今較為方便的“加速耗損實驗”設(shè)備，刮削速度能夠達到50m/s。美國CETR摩擦磨損試驗系統(tǒng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高溫摩擦磨損測試儀如圖7所示，是一種用途廣泛的摩擦、磨損實驗機，最高溫度達1000℃，速度為0.1mm/s到50m/s。

圖6 ABER 5135泰伯磨擦試驗系統(tǒng)Fig.6 ABER 5135 taber friction test system

圖7 CETR高溫摩擦磨損測試儀Fig.7 CETR high temperature friction and wear tester

英國謝菲爾德大學(xué)J.Stringer等人研制的一臺模擬實際航空渦輪壓氣機的可磨耗試驗系統(tǒng)，如圖8所示。它主要的參數(shù)指標：線速度100～200m/s，進給速度最小能精確到0.1μm/s，最高達2000μm/s。該試驗系統(tǒng)從分析進給速度對可磨耗性能的影響得到的結(jié)論：進給速率越大，涂層刮削均勻表現(xiàn)良好的可磨耗性能；而小的進給速率將造成涂層與葉片的磨損，可磨耗性能差[9]。其中可磨耗機制主要從電腦模擬、實際測量葉片的高度變化以及葉片表面粗糙度的角度來進行分析。

圖8 英國謝菲爾德大學(xué)試驗系統(tǒng)[9]Fig.8 University of Shef fi eld test system[9]

瑞士ALSTOM公司研制的試驗機[10]如圖9所示，該設(shè)備直接由高速電機驅(qū)動，模擬輪盤的最高轉(zhuǎn)速為30000r/min，對應(yīng)葉尖線速度400m/s，試樣可完成進給速率1～2000um/s范圍內(nèi)的軸向和徑向進給，試驗機具備加熱功能，配置測力傳感器、高溫計對試驗數(shù)據(jù)進行測量。

圖9 ALSTOM的試驗機結(jié)構(gòu)[10]Fig.9 ALSTOM test system construction[10]

2 國內(nèi)超高速高溫試驗系統(tǒng)及封嚴涂層評價體系的研究現(xiàn)狀

可磨耗封嚴涂層試驗機由于在國內(nèi)的研究工作起步較晚，對封嚴涂層可磨耗性的評價的設(shè)備和方法有限，缺乏通過磨耗量、刮削力、涂層的微觀形貌等來綜合評價封嚴涂層可磨耗性的新型高溫可磨耗試驗機。

2.1 國內(nèi)大學(xué)

西安交通大學(xué)與中南大學(xué)共同研制一次沖擊實驗裝置[11]。該試驗系統(tǒng)以一次沖擊刮削法模擬航空發(fā)動機葉片刮削封嚴涂層的工況，最大沖擊刮削速度5m/s；最大沖擊能量20J；實驗滑座帶動涂層進給機構(gòu)的定位精度10μm。可檢測刮削力及涂層進給位移。西安交通大學(xué)的陸明珠及中南工業(yè)大學(xué)易茂中等學(xué)者利用該試驗系統(tǒng)進行了封嚴涂層的實驗研究[12]，并建立針對該試驗系統(tǒng)的評價體系。測試封嚴涂層的沖擊載荷-位移曲線，曲線上的屈服點和最大載荷點綜合表征了封嚴涂層可磨耗性和涂層與機體的結(jié)合強度，曲線包圍的面積即沖擊刮削性，表征了涂層的抗沖蝕性。

浙江大學(xué)高速旋轉(zhuǎn)機械實驗室研制了一臺專用易磨耗性能測試裝置[13]，如圖10所示。由于封嚴橡膠服役溫度比較低，一般為-60～120℃，因此試驗機使用電加熱和液氮冷卻方式模擬環(huán)境溫度，可實現(xiàn)的溫度范圍為-120～200℃；為實現(xiàn)超高葉尖線速度，試驗機設(shè)置了可抽真空的試驗腔以降低升速阻力、提高運行穩(wěn)定性，其主軸最高轉(zhuǎn)速可到16000r/min，可實現(xiàn)的葉尖線速度最高為520 m/s；進給系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)，可在5～1000μm/s進給速率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。試驗機配置了高清攝像機，可對高速碰磨過程進行記錄。除封嚴橡膠外，還可進行各種封嚴材料的常溫磨耗試驗。

圖10 浙江大學(xué)封嚴橡膠測試用可磨耗試驗機[13]Fig.10 Abrasion testing machine for sealing rubber of Zhejiang University[13]

2.2 中國科學(xué)院

中科院金屬研究所自行研制單擺沖擊劃痕試驗系統(tǒng)[14]，該設(shè)備采用高速記錄系統(tǒng)測量每次沖擊過程的刮擦剪切力和正壓力的變化，以精密控制試樣的臺升實現(xiàn)對入侵深度的模擬，通過改變擺的初始沖擊角度調(diào)整沖擊速度，改變擺錘重量調(diào)整沖擊初始能量。

中科院金屬所以航天飛機為背景研制的小型臺架試驗系統(tǒng)[15]如圖11所示，用以評價封嚴涂層材料性質(zhì)，其轉(zhuǎn)盤葉尖線速度達到150m/s，以徑向精密進給控制葉片刮擦的入侵深度和入侵速度，入侵速率可達2～3000μm/s，試樣加熱溫度可達1200℃。試驗過程中可實時測量高速高溫條件下摩擦副的正壓力、切向力(摩擦力)、功率損耗、試樣溫度等參數(shù)，用于試樣摩擦磨損的研究，與國外先進的試驗設(shè)備相比，可模擬的線速度參數(shù)仍存在較大差距。中國科學(xué)院金屬研究所劉夙偉等人建立了封嚴涂層的評價體系模型，根據(jù)封嚴涂層可磨耗性的定義，在銷一盤和高速刮擦試驗中選用磨損質(zhì)量的比值作為封嚴涂層可磨耗性能指數(shù)。

圖11 中科院金屬研究所高溫高速磨損試驗系統(tǒng)[15]Fig.11 High temperature and high speed wear test system of the Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences[15]

2.3 科研院所

中航工業(yè)北京航空精密機械研究所研制的封嚴涂層刮削式試驗機[16,17]，如圖12所示，試驗機以電主軸為動力，實際最高轉(zhuǎn)速達23500r/min；進給系統(tǒng)可實現(xiàn)徑向1～2000μm/s的進給速率，采用陶瓷纖維加熱器對涂層試樣進行加熱，其最高理論加熱溫度可達1150℃，但實際測試時的最高溫度只能達到300℃。該試驗機的運行穩(wěn)定性以及可實現(xiàn)的技術(shù)參數(shù)還有待考察。

圖12 北京航空精密機械研究所的刮削式試驗機[16]Fig.12 Scraping machine of Beijing Precision EngineeringInstitute for Aircraft Industry[16]

北京礦冶科技集團有限公司成功研制了兩臺高溫超高速可磨耗試驗機，用于磨耗性能測試。其中：AST500型試驗機[18]如圖13所示，主軸最高轉(zhuǎn)速13500r/min，最高線速度300m/s，最高加熱溫度可達800℃實現(xiàn)涂層試樣在1.5～2000μm/s進給速率范圍內(nèi)的進給。

圖13 北京礦冶科技集團有限公司AST500試驗機[18]Fig.13BGRIMM Technology Group AST500 tester[18]

北京礦冶科技集團有限公司新研制的全尺寸BGRIMM-ATR型高溫超高速磨耗試驗平臺，是在對美國Metco公司可磨耗試驗機充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，經(jīng)國內(nèi)外專家多輪論證，集合國內(nèi)外多個專業(yè)的技術(shù)研制而成，具備了Metco公司設(shè)備的多因素耦合模擬測試水平。輪盤最高轉(zhuǎn)速13000rpm，最高線速度450m/s，最高測試溫度 1200℃，微進給速率2～2000μm/s，可通過轉(zhuǎn)接盤安裝現(xiàn)役所有尺寸輪盤及葉片，設(shè)備的溫度、線速度、進給速率控制精度及檢測系統(tǒng)等達到Metco公司設(shè)備同等水平，處于國際先進水平，是目前國內(nèi)唯一能實現(xiàn)模擬航空發(fā)動機工況條件的高溫超高速實驗平臺，平臺照片如圖14所示。該研究機構(gòu)利用該試驗平臺進行了大量的模擬試驗，結(jié)合Metco公司及國內(nèi)研究機構(gòu)的評價方法，建立了相應(yīng)的評價體系。

圖14 BGRIMM-ATR高溫超高速磨耗試驗平臺Fig.14 BGRIMM-ATR high temperature and high speed abrasion test platform

3 總結(jié)與展望

（1）目前Sulzer Metco、北京礦冶科技集團有限公司等研究機構(gòu)的試驗平臺均能安裝發(fā)動機真實輪盤、葉片，模擬發(fā)動機內(nèi)部高溫、高速的工況，對封嚴涂層進行評價。試驗證明，模擬試驗機即節(jié)約了試驗成本，又可有效地對封嚴涂層的可磨耗性進行評價。為了使試驗機更接近發(fā)動機實際工況，相關(guān)研究機構(gòu)正在努力使得輪盤、葉片、涂層的工況均接近實際工況，涂層基體更接近機匣的外形，刮削過程更接近發(fā)動機葉片與機匣實際碰磨軌跡。

（2）封嚴涂層可磨耗性的評價尚未形成統(tǒng)一標準，隨著國內(nèi)相關(guān)設(shè)備的日趨成熟，應(yīng)盡快形成國家標準，以指導(dǎo)封嚴涂層可磨耗性的評價及生產(chǎn)。