銅鋁聚苯酯涂層性能研究

云海濤，劉通，劉建明，呂亮，汪云程，張淑婷

（1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，株洲 412002；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；3.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；4.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144）

0 引言

封嚴(yán)涂層對于提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)效率、降低油耗和延長部件壽命等具有重要意義，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制、新機(jī)制造、運(yùn)行和維修等方面發(fā)揮著重要作用。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造中，可磨耗封嚴(yán)涂層通過減小轉(zhuǎn)子與機(jī)匣的間隙，提高氣路密封性，進(jìn)而增加流體動(dòng)力壓差，提高整機(jī)效率，降低能耗，延長整機(jī)的使用壽命[1-3]。

鋁青銅(CuAl)涂層是一種重要的銅基防護(hù)涂層[4]，具有抗接觸磨損、抗氣蝕和抗干摩擦等特性，是防止零部件表面疲勞磨損、減少裝配件黏連，提高部件可靠性和使用壽命的關(guān)鍵涂層。據(jù)資料顯示[5]，國外開發(fā)的鋁青銅聚苯酯涂層已用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐微動(dòng)磨損涂層，但國內(nèi)對這類涂層材料的研究較少，中科院以滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)評價(jià)[6]鋁青銅聚苯酯涂層在室溫～400℃的可磨耗性能，但試驗(yàn)條件與實(shí)際工況相差較大；前期研究[7]通過改變聚苯酯含量，將銅鋁聚苯酯 (CuAl/PHB)涂層中可磨耗相和孔隙相的占比提高至40%以上，經(jīng)驗(yàn)證可滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)對中低溫可磨耗封嚴(yán)涂層使用要求。

本文通過對涂層基本力學(xué)性能、抗氧化性、高溫硬度、微動(dòng)磨損和模擬工況可磨耗等性能的檢測分析，探討了銅鋁聚苯酯涂層可實(shí)現(xiàn)耐微動(dòng)磨損和可磨耗的良好結(jié)合。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 封嚴(yán)涂層的制備

本試驗(yàn)選用礦冶科技集團(tuán)有限公司研制的銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末（牌號(hào)KF-1303）制備涂層，圖1 為該涂層材料的典型形貌，由CuAl 合金粉和聚苯酯粉兩種組分混合而成，粉末呈現(xiàn)為近球狀，粒徑約45 μm 以下的CuAl 合金顆粒均勻散落在聚苯酯顆粒周圍，涂層材料物性及化學(xué)成分如表1 所示。

圖1 銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末微觀形貌照片：(a) 低倍；(b) 高倍Fig.1 Microstructure of CuAl-PHB powders: (a) low magnification; (b) high magnification

表1 銅鋁聚苯酯粉末化學(xué)成分和物理性能Table 1 The chemical composition and physical properties of CuAl-PHB powder

本試驗(yàn)選用高溫合金(GH4169)為基體材料，制備金相、硬度和結(jié)合強(qiáng)度等試樣。噴涂前對基體表面進(jìn)行脫油凈化和噴砂粗糙化處理，選用粒度為40 目的棕剛玉，采用射吸式噴砂機(jī)，壓力在0.55～0.65 MPa。噴砂過程中，磨料的噴射方向與工作面的法線之間夾角取15°，噴砂咀距離工件的距離大約為200 mm。

本試驗(yàn)采用METCO F4 大氣等離子噴涂系統(tǒng)在預(yù)處理后的基體表面制備封嚴(yán)涂層底層和面層，底層采用Ni-Al 復(fù)合粉末（牌號(hào)KF-6），厚度為0.10～0.15 mm；面層采用銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末（牌號(hào)KF-1303），厚度為1.8～2.0 mm；通過對噴涂功率、噴涂距離、送粉速率等工藝參數(shù)的優(yōu)化，確定最佳面層噴涂參數(shù)如表2 所示。噴涂后對所制備涂層的微觀組織、孔隙率、硬度、結(jié)合強(qiáng)度、高溫硬度和摩擦磨損性等進(jìn)行測試研究。

表2 銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末噴涂工藝參數(shù)Table 2 Parameters of spraying CuAl-PHB powder

1.2 檢測方法及設(shè)備

采用Hitachi SU5000 型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析粉末和涂層試樣橫截面的顯微組織形貌，使用Image J 軟件測量涂層橫截面的孔隙率數(shù)值。涂層硬度試樣厚度為1.8～2.0 mm，表面經(jīng)過砂紙打磨后，依照HB 5486 采用MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀檢測HR15Y。涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用粘結(jié)拉伸法測試，將粗磨后的試樣與預(yù)噴砂的對接件采用FM-1000 高溫膠片粘結(jié)，190 ℃、保溫2 h 的條件下固化；在WDW-100A 型微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試；涂層厚度為0.5～0.6 mm 拉斷時(shí)單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強(qiáng)度，并對斷口進(jìn)行宏觀觀察，確定涂層斷裂方式，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均采取3 個(gè)試樣進(jìn)行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。

涂層靜態(tài)恒溫氧化試驗(yàn)，將制備的CuAl/PHB涂層置于SX-12-10 型箱式電阻爐中進(jìn)行靜態(tài)空氣下500 ℃、620 ℃、650 ℃及700 ℃的恒溫100 h 的氧化試驗(yàn)，檢測不同溫度對涂層氧化增重、組織結(jié)構(gòu)的影響關(guān)系。涂層的高溫洛氏硬度，采用HTN/T150 型高溫洛氏硬度計(jì)，涂層硬度試樣厚度為1.8～2.0 mm，表面經(jīng)過砂紙打磨后，參考HB 5486 采用高溫硬度計(jì)在450 ℃、500 ℃、550℃、600 ℃、620 ℃、650 ℃和700 ℃條件下對涂層的高溫洛氏硬度(HR15Y)進(jìn)行檢測。

涂層的抗熱震性能測試，首先將涂層樣品放入KSS-1400 型全自動(dòng)熱震試驗(yàn)機(jī)中，在600 ℃、650 ℃、700 ℃溫度條件下保溫5 min，然后放入冷水淬冷2 min，靜置1 min，觀察涂層表面狀態(tài)，記錄試驗(yàn)次數(shù)。采用UMT-Tribolab 型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)行CuAl/PHB 涂層的微動(dòng)磨損性能測試，對偶件使用100 Cr6 對磨球，直徑為10 mm。試驗(yàn)載荷100 N，頻率100 Hz，循環(huán)周次為36×104次，試驗(yàn)溫度室溫、500 ℃、600 ℃、620℃、650 ℃和700 ℃，每組試驗(yàn)進(jìn)行3 種平行試驗(yàn)，檢測涂層摩擦系數(shù)，試驗(yàn)后采用非接觸式表面輪廓儀測量涂層磨損體積。

采用礦冶集團(tuán)的高溫超高速可磨耗試驗(yàn)機(jī)[8]對CuAl/PHB 涂層可磨耗性能進(jìn)行檢測，其輪盤轉(zhuǎn)速最高為15000 rpm，線速度達(dá)到450 m/s，最高試驗(yàn)溫度達(dá)1200 ℃。本試驗(yàn)在線速度400 m/s、進(jìn)給深度50 μm/s、進(jìn)給深度200 μm、試驗(yàn)溫度為400 ℃～600 ℃的條件下，對CuAl/PHB 涂層和高溫合金葉片摩擦副進(jìn)行對磨刮削試驗(yàn)。采用IDR[9]作為可磨耗性定量評價(jià)指標(biāo)，對于固定的進(jìn)給深度，IDR 的絕對值越小，可磨耗性能就越好。當(dāng)以葉片磨損為主時(shí)，IDR 為正值，當(dāng)出現(xiàn)涂層材料黏附葉片時(shí)，IDR 為負(fù)值。一般情況下，IDR 絕對值小于10%可磨耗性為優(yōu)，10%～20%可磨耗性為良，20%～30%可磨耗性為可接受。

IDR 定義為：

IDR=(葉片刮削前高度-葉片刮削后高度)/（涂層刮削深度+葉片刮削前高度-葉片刮削后高度）

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層微觀組織形貌

涂層微觀組織形貌是評價(jià)涂層性能的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。采用大氣等離子噴涂工藝制備的CuAl/PHB涂層微觀形貌如圖5 所示，涂層組織均勻，整體結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀，其中灰色區(qū)域?yàn)榻饘傧?，黑色區(qū)域?yàn)榫郾锦ヅc涂層孔隙。通過Image J 圖像處理軟件對CuAl/PHB涂層顯微形貌照片進(jìn)行分析，測定涂層的孔隙率為17.5%（涂層中聚苯酯和孔隙所占比例）。

圖2 涂層微觀組織形貌照片：(a) 低倍；(b) 高倍Fig.2 Microstructure of Coatings: (a) low magnification; (b) high magnification

2.2 涂層力學(xué)性能

按照表1 所示的熱噴涂工藝參數(shù)制備CuAl/PHB 涂層，測試噴涂態(tài)涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果分別列于表3、表4，拉伸結(jié)果均為100%涂層內(nèi)斷裂。

表3 涂層硬度結(jié)果Table 3 Hardness of Coatings

表4 涂層結(jié)合強(qiáng)度Table 4 Bonding Strength of Coatings

由表3、表4 數(shù)據(jù)可知，本試驗(yàn)所制備的銅鋁聚苯酯封嚴(yán)涂層的硬度平均值90.4 HR15Y，結(jié)合強(qiáng)度≥25.4 MPa，適合用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路間隙控制封嚴(yán)涂層，能滿足硬度與結(jié)合強(qiáng)度的良好匹配。

2.3 涂層高溫氧化性能

通過箱式電阻爐對CuAl/PHB 涂層試樣進(jìn)行500 ℃、620 ℃、650 ℃和700 ℃四組不同溫度下100 h 的高溫氧化試驗(yàn)，根據(jù)圖3 所示的涂層氧化增重試驗(yàn)結(jié)果，溫度越高，涂層的氧化增重越多，增重速率越快。由于涂層中含有聚苯酯成分，因此在高溫氧化試驗(yàn)中存在聚苯酯的燒蝕，這種情況會(huì)使涂層的整體重量減小，同時(shí)，溫度越高，涂層中聚苯酯的燒蝕越嚴(yán)重，涂層的失重越明顯。

圖3 CuAl/PHB 涂層100 小時(shí)高溫氧化增重曲線Fig. 3 Weight gain curve of CuAl-PHB coating at 100 hours of high temperature oxidation

CuAl/PHB 涂層在500℃和620℃條件下隨氧化時(shí)間的增加，重量變化并不明顯，在20 h 內(nèi)，涂層有較小失重，隨氧化時(shí)間的增加，涂層有增重的變化趨勢，但較為平緩，100 h 平均氧化增重速率僅為4.51×10-4mg·mm-3/h，表明涂層在500℃和620 ℃下具有良好的抗氧化性能；而對于650 ℃和720 ℃條件下，CuAl/PHB 涂層變化顯著，首先是在40 h 內(nèi)，涂層發(fā)生明顯的失重和增重，平均氧化增重速率分別達(dá)到18.6×10-4mg·mm-3/h和25.9×10-4mg·mm-3/h；在氧化40～50 h 后，隨時(shí)間的增加，氧化增重速率降低，650 ℃溫度下趨于平緩，100 h 平均氧化增重速率為11.5×10-4mg·mm-3/h，而700 ℃下涂層氧化增重仍較快，達(dá)到了19.5×10-4mg·mm-3/h。

CuAl/PHB 涂層在500 ℃、620 ℃、650 ℃和700 ℃四組不同溫度下保溫100 h 后的顯微形貌如圖4 所示。500 ℃與620 ℃氧化后CuAl/PHB 涂層組織無明顯差別，表面由1～2 μm 的氧化膜覆蓋，650 ℃相較于620 ℃局部存在明顯的氧化物團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖4 (c)所示，該氧化物團(tuán)聚組織直徑約40 μm 左右，厚度不均勻，致密性較差。700 ℃氧化后涂層表明出現(xiàn)了一層較厚的氧化物膜，厚度為10～30 μm，涂層內(nèi)部有較多單獨(dú)存在的團(tuán)聚氧化物。如圖5 和表5 所示的700 ℃氧化100 h 后涂層內(nèi)部選區(qū)能譜分析結(jié)果可以判斷該組織主要由銅的氧化物構(gòu)成，該氧化膜均勻性、致密性差，難以阻擋氧元素進(jìn)入合金內(nèi)部，不能提高合金的抗氧化性。

表5 700℃氧化100 h 后涂層成分Table 5 Composition of the coating after 100h oxidation at 700℃

圖4 CuAl/PHB 涂層氧化100 小時(shí)微觀組織照片：(a) 500 ℃; (b) 620 ℃; (c) 650 ℃; (d) 700 ℃Fig.4 Microstructure of CuAl-PHB coatings after 100h oxidation: (a) 500 ℃; (b) 620 ℃; (c) 650 ℃; (d) 700 ℃

圖5 700℃氧化100 h 后涂層能譜選區(qū)分析結(jié)果Fig.5 Selective analysis results of coating energy spectrumafter oxidation at 700 ℃ for 100 h

CuAl/PHB 涂層在620 ℃以下抗氧化性能良好，當(dāng)氧化溫度達(dá)到620 ℃以上后會(huì)出現(xiàn)異常長大的氧化物組織，該氧化物組織致密性差，不具備隔絕氧元素的作用，不能提高合金組分的抗氧化性，同時(shí)由于溫度的增加，合金的氧化速率明顯上升。

2.4 涂層高溫硬度

采用高溫洛氏硬度計(jì)在450 ℃、500 ℃、550 ℃、600 ℃、620 ℃、650 ℃和700 ℃條件下對CuAl/PHB 涂層的高溫硬度進(jìn)行檢測研究，涂層的硬度檢測結(jié)果如圖6 所示，可直觀地反應(yīng)溫度對涂層性能的影響，溫度提高會(huì)顯著降低涂層的硬度，在450 ℃～700 ℃溫度范圍內(nèi)，涂層硬度由HR15Y 76.6 降低到66.8，仍可滿足封嚴(yán)涂層服役的基本性能要求。

圖6 CuAl/PHB 涂層高溫洛氏硬度(HR15Y)Fig.6 High temperature rockwell hardness of CuAl-PHB coatings (HR15Y)

2.5 涂層抗熱震性能

在600 ℃，650 ℃、700 ℃保溫5 min 后放入冷水淬冷2 min、靜置1 min 的條件下進(jìn)行CuAl/PHB 涂層的抗熱震性能檢測，結(jié)果表明，在不同溫度下涂層的熱震壽命均超過了30 次，未出現(xiàn)脫落、裂紋等現(xiàn)象，涂層具備良好的抗高溫?zé)釠_擊性能。圖7 (a)為700℃經(jīng)過30 次條件試驗(yàn)后的涂層宏觀照片；為獲取涂層極限壽命，在700 ℃條件下，經(jīng)過135 次水冷熱震試驗(yàn)，涂層出現(xiàn)裂紋、脫落，見圖7 (b)所示。

圖7 CuAl/PHB 涂層700℃水冷熱震試驗(yàn)后宏觀照片：(a) 熱震30 次后涂層完整；(b) 熱震135 次后涂層表面裂紋、脫落Fig.7 Macro-morphology of CuAl/PHB coating after hydrothermal shock test at 700℃:(a) the complete coating after 30 thermal shocks; (b) surface cracks and peeling of coating after 135 thermal shocks

2.6 涂層微動(dòng)磨損性能

圖8 是CuAl/PHB 涂層與100Cr6 對磨球摩擦配副在相同試驗(yàn)載荷100 N、頻率100 Hz，室溫、500 ℃、600 ℃、620 ℃、650 ℃和700 ℃不同溫度下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥吹?，在試驗(yàn)初期200 s 左右時(shí)涂層的摩擦系數(shù)均發(fā)生下降，約在第400 s 后涂層完成跑合。進(jìn)入穩(wěn)定期后，不同溫度條件下的涂層摩擦因素均無較大波動(dòng)，首先是在室溫條件下，進(jìn)入穩(wěn)定期時(shí)的涂層摩擦系數(shù)在0.55 左右，且表現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，試驗(yàn)進(jìn)行到2800 s 后摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.65；在500℃條件下，涂層摩擦系數(shù)顯著低于室溫，隨時(shí)間增加，摩擦系數(shù)提高，但始終低于0.5；600 ℃和620 ℃溫度下，摩擦系數(shù)變化十分接近，穩(wěn)定在0.4～0.5 間；隨著溫度提高到650 ℃和700 ℃，摩擦系數(shù)始終保持較高水平，隨試驗(yàn)時(shí)間增加摩擦系數(shù)緩慢提高，其變化趨勢與室溫狀態(tài)相近，趨于穩(wěn)定后摩擦系數(shù)保持在0.6～0.7 間。

圖8 CuAl/PHB 涂層摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.8 Variation curve of friction coefficient of CuAl-PHB coatings

圖9 是CuAl/PHB 涂層不同微動(dòng)條件下的磨痕形貌三維立體圖，由圖9 (a)～(d)可知，涂層磨損后形貌比較完整，磨痕深度較為均勻；但溫度提升至650 ℃后，涂層磨痕表面有裂紋出現(xiàn)，導(dǎo)致摩擦系數(shù)提高，磨損性能嚴(yán)重降低。圖10 是微動(dòng)條件下CuAl/PHB涂層磨損體積隨溫度的變化，可以看出隨試驗(yàn)溫度的增加，磨損體積呈現(xiàn)出增大的變化，在700 ℃下由于磨痕出現(xiàn)明顯裂紋，影響了磨損深度，導(dǎo)致磨痕體積相對650 ℃時(shí)變化不明顯。

圖9 CuAl/PHB 涂層磨痕三維形貌圖：(a) 室溫；(b) 500 ℃; (c) 600℃; (d) 620℃; (e) 650℃; (f) 700℃Fig. 9 Three-dimensional topography of CuAl-PHB coatings:(a) 室溫；(b) 500 ℃; (c) 600℃; (d) 620℃; (e) 650℃; (f) 700℃

圖10 CuAl/PHB 涂層磨損體積變化圖Fig. 10 Wear volume of CuAl-PHB coatings

2.7 涂層可磨耗性能

模擬工況對磨刮削試驗(yàn)前、后CuAl/PHB 涂層和高溫合金葉片摩擦配副的測量數(shù)據(jù)如表6 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，在試驗(yàn)條件下涂層的 IDR值均為正值，說明在該試驗(yàn)條件下均發(fā)生了葉片的磨損，導(dǎo)致葉片的高度減小。涂層400 ℃～600℃條件下的進(jìn)給磨損比(IDR)≤20%，表現(xiàn)出良好的可磨耗性，并且隨著試驗(yàn)溫度提高，IDR 值降低，涂層可磨耗性提升；在室溫條件下，對磨葉片磨損嚴(yán)重，IDR 值達(dá)到45.62%，涂層可磨耗性差。該涂層可磨耗性檢測結(jié)果與國外已有研究結(jié)論一致，CuAl 基涂層在室溫條件下可磨耗性較差，在400 ℃以上的高溫環(huán)境下可磨耗性會(huì)顯著提升，優(yōu)于Al 基、Ni 基等涂層。

表6 葉片高度、總進(jìn)給深度及IDR 值數(shù)據(jù)Table 6 The blade height、the total feed depth and the calculation of the IDR

3 結(jié)論

(1) 以銅鋁合金粉和聚苯酯為原材料，采用機(jī)械復(fù)合工藝制備了銅鋁聚苯酯復(fù)合粉末，采用大氣等離子噴涂工藝制備銅鋁聚苯酯涂層，涂層組織均勻，聚苯酯和孔隙占比為17.5%，硬度平均值90.4 HR15Y，結(jié)合強(qiáng)度≥25.4 MPa，在620 ℃條件下涂層仍然具備良好的高溫抗氧化性能，在450 ℃～700 ℃溫度范圍內(nèi)涂層高溫硬度由HR15Y 76.6 降低到66.8，700 ℃下抗熱震性能良好，雖然涂層孔隙率較低，但仍適合用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣路間隙控制封嚴(yán)涂層。

(2) 本文研制的CuAl/PHB 涂層兼具良好的耐微動(dòng)磨損特性和可磨耗性，在高載荷100 N、高頻率100 Hz、高溫700 ℃條件下的微動(dòng)磨損結(jié)果表明，涂層在620℃下摩擦系數(shù)小于0.5，具有良好且穩(wěn)定的耐微動(dòng)磨損特性，隨溫度持續(xù)提高，耐微動(dòng)磨損性能降低；在400 ℃～600 ℃模擬工況條件下葉片進(jìn)給磨損比IDR 值小于14.02%，且隨溫度的增加可磨耗性提升。