不同位移幅值對鈷基涂層高溫微動磨損性能的影響

曹曉英， 張 強

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽 618000)

0 前 言

渦輪轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動機和重型燃氣輪機的核心部件，透平是推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)極其關(guān)鍵的零部件，葉片高溫部件摩擦副接觸部位采取緊度設(shè)計，為簡潔高效的干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)[1]。 在高溫、氣動力、軸向力、周向力、機械振動等條件的耦合交互作用下，摩擦副接觸部位在高速旋轉(zhuǎn)時發(fā)生磨損，隨時間推移使接觸部位持續(xù)摩擦和碰磨，嚴重時將導(dǎo)致透平部件發(fā)生磨損失效及斷裂而造成嚴重事故。 因此，提高透平高溫部件摩擦副工作面耐高溫微動磨損性能顯得尤為重要。 CoMoCrSi系涂層是一種高Co、高Mo、高Cr 的合金涂層，涂層硬度高、摩擦系數(shù)低[2]，具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗氧化和耐磨損的高溫性能[3]，在透平高溫部件摩擦副工作面處采用熱噴涂工藝制備鈷基耐高溫微動磨損涂層是提高燃氣輪機高溫部件服役壽命行之有效的方法，已被國外航空發(fā)動機及重型燃氣輪機主機廠采用，并對我國實施了技術(shù)封鎖，因此，開展透平高溫部件鈷基耐高溫微動磨損性能研究工作具有重大戰(zhàn)略意義。 國內(nèi)主要在等離子噴涂CoMoCrSi 系涂層制備工藝方面開展了試驗研究工作，對涂層耐高溫微動磨損性能研究較少，本工作采用氧氣助燃超音速火焰噴涂工藝制備了CoMoCrSi系涂層，并對比了在不同微動磨損試驗條件下磨損性能的差異。

1 試 驗

1.1 涂層制備

本試驗采用氧氣助燃超音速火焰噴涂工藝在In738 試樣表面制備鈷基高溫微動磨損涂層，試樣(靜止件)規(guī)格為10 mm×10 mm×20 mm，噴涂面為10 mm×20 mm，噴涂前進行噴砂粗化處理。 采用團聚燒結(jié)工藝制備的噴涂粉末，名義成分為Co17.5Mo4.5CrSi，粉末粒徑10～45 μm，粉末松裝密度4.2～4.8 g/cm3，粉末流動性(50 g)17～22 s。 噴涂參數(shù):氧氣873.20～920.40 L/min，燃油0.30～0.33 L/min，載氣9.91～10.85 L/min，送粉轉(zhuǎn)速5.0～5.5 r/min，噴涂距離370～380 mm，涂層厚度0.2～0.3 mm。 噴涂完成后，采用800 號砂紙拋磨處理，再進行微動磨損試驗。

1.2 高溫微動磨損試驗

在自制高溫微動磨損試驗機上進行涂層高溫微動磨損性能試驗，試驗過程為上試樣(運動件)在一定載荷和循環(huán)次數(shù)條件下，按設(shè)定的位移幅值在下試樣(靜止件)表面進行往復(fù)式滑動。 試驗設(shè)計接觸面應(yīng)力為20 MPa，法向加載載荷為20 N，往復(fù)循環(huán)次數(shù)為105次，設(shè)計對摩副為涂層/涂層，依據(jù)接觸應(yīng)力和試驗載荷設(shè)定值，上試樣(運動件)接觸面積設(shè)計為1 mm2。 試驗溫度400 ℃，接觸應(yīng)力20 MPa，循環(huán)次數(shù)為105次，位移幅值30，60，90 μm。

1.3 測試分析

采用DMI5000M 光學(xué)顯微鏡觀察涂層表面、截面金相組織；并采用HVS-1000 型維氏硬度計測試涂層硬度，隨機測試6 個點，載荷3 N，保持10 s。

通過高溫微動磨損試驗機采集數(shù)據(jù)獲取摩擦系數(shù)曲線。 采用ContourGT-X3 型白光干涉掃描儀測量磨痕(下試樣)的三維磨損體積，并計算了磨損率。 磨損率(W)的定義是單位法向載荷下，單位長度的磨損體積，即W＝V/(F×L)[4]。 式中:V為磨損體積，mm3；F為法向載荷，N；L為總位移行程，m。 采用JSM-6610LV型掃描電鏡(SEM)及X-MAX50 INCA-250 能譜儀(EDS)觀察磨痕表面形貌及分析元素成分。 采用X’Pert PRO MRD/XL 型X 射線衍射儀(XRD)對磨痕表面進行了物相分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層金相組織及硬度

采用超音速火焰噴涂工藝制備的涂層組織致密，孔隙率小于1%；厚度約0.3 mm；涂層與基體界面無分離。 涂層截面(噴涂態(tài))和表面(磨損試驗前)金相組織見圖1。 隨機測試6 點，硬度值分別為690，779，727，857，635，636 HV3N。

圖1 涂層金相組織Fig. 1 Micro-structure of coating

2.2 摩擦系數(shù)

圖2 是涂層與涂層為對摩副，分別以30，60，90 μm的位移幅值循環(huán)對摩的摩擦系數(shù)曲線。 從摩擦系數(shù)曲線可以看出，當位移幅值為30 μm 和60 μm 時，摩擦系數(shù)呈波動上升趨勢，循環(huán)次數(shù)分別達到1 000 次和4 000次時，摩擦系數(shù)穩(wěn)定于0.35 和0.55左右并保持至105次循環(huán)次數(shù)； 當位移幅值增加到90 μm 時， 摩擦系數(shù)一直處于波動狀態(tài)，摩擦系數(shù)先增加到0.72，在30 000次循環(huán)次數(shù)時達到最大值0.77，又逐漸降低至0.55～0.75 范圍內(nèi)波動，最終保持在0.75 至105次循環(huán)結(jié)束。

圖2 不同位移幅值對摩條件下的摩擦系數(shù)曲線Fig. 2 Friction coefficient curves at different displacement amplitudes

2.3 磨損率

圖3 是涂層與涂層為對摩副，分別以位移幅值30，60，90 μm 循環(huán)對摩后的磨痕三維輪廓，并通過專用軟件測定磨損體積值。

圖3 不同位移幅值對摩條件的涂層表面三維輪廓Fig. 3 Three - dimensional profile of coating surface at different displacement amplitudes

從圖3 可以看出，在不同位移幅值測試條件下，隨位移幅值增加，由于磨痕深度不同則試樣表面的峰、谷深度不同，涂層三維形貌由星點狀凹坑逐漸向斷續(xù)淺凹坑、連續(xù)深凹坑發(fā)展；位移幅值為30，60，90 μm 分別對 應(yīng) 的 磨 損 體 積 為 75 880.883， 162 689.172，294 622.938 μm3。

通過公式計算，30，60，90 μm 位移幅值條件下的磨損率分別是3.16×10-4，3.39×10-4，4.09×10-4mm3/(N·m)。 可以看出，隨位移幅值增加，涂層磨損率增加；位移幅值越大，凹坑越深，摩擦系數(shù)波動越大。

2.4 磨損形貌及微區(qū)成分

圖5 位移幅值60 μm 循環(huán)對摩后的磨痕SEM 形貌及能譜Fig. 5 SEM morphology and energy spectrum at displacement amplitude of 60 μm

圖4～圖6 是涂層與涂層為對摩副，分別以位移幅值30，60，90 μm 循環(huán)對摩后的磨痕SEM 形貌及微區(qū)能譜。 從磨痕形貌可以看出，當位移幅值為30 μm 時，磨痕表面相對平整，磨痕呈分散塊狀分布，無明顯犁溝形貌； 由于輕微塑性變形導(dǎo)致的層狀堆疊，涂層表面剝落， 磨損機理主要為輕微的塑變及剝層。 當位移幅值為60 μm 時，磨痕表面接觸面積增加且連成片狀區(qū)域，出現(xiàn)大量犁溝形貌和顯著的黏著磨損塑變區(qū)域，由于輕微塑性變形導(dǎo)致的層狀堆疊，涂層輕微變形，磨損機理主要為磨粒磨損和黏著磨損[5]混合機制。 在黏著磨損初期(溫度逐漸升溫)，由于氧化現(xiàn)象的產(chǎn)生，金屬元素軟的特性及潤滑作用使表面延展性更好，磨損均勻穩(wěn)定[6]，摩擦系數(shù)平穩(wěn)；在黏著磨損后期，黏著磨損區(qū)域脆化而形成脆性斷裂[4]。 當位移幅值為90 μm 時，磨痕表面較粗糙，并且出現(xiàn)了大量犁溝形貌(主要)和顯著的黏著塑變磨損、裂紋、剝落，結(jié)合摩擦系數(shù)波動現(xiàn)象分析，粗糙的表面和大量的犁溝是摩擦系數(shù)波動的主要因素，磨損機理主要為磨粒磨損[7]伴黏著磨損機制，黏著磨損區(qū)域脆化而形成裂紋。 總體而言，隨位移幅值增加，磨損機制從輕微塑變向磨粒磨損及黏著磨損混合機制、磨粒磨損伴黏著磨損機制發(fā)展。 從EDS 圖可以看出，Co，Mo，Cr，Si，O 5 種元素峰值明顯，是微區(qū)的主要成分。 在3 種位移幅值條件下，O 元素含量都大量存在，氧化現(xiàn)象在最小位移幅值試驗條件下已發(fā)生，O 元素在60 μm 時含量達到最大，90 μm 時O 元素含量下降。 SEM 形貌及微區(qū)成分比例可以看出，在不同的磨損機制影響下，隨位移幅值增加，涂層表面由于表面的氧化、摩擦導(dǎo)致了表面材料剝落-再氧化-再剝落的規(guī)律演變過程[8]。

圖4 位移幅值30 μm 循環(huán)對摩后的磨痕SEM 形貌及能譜Fig. 4 SEM morphology and energy spectrum at displacement amplitude of 30 μm

圖6 位移幅值90 μm 循環(huán)對摩后的磨痕SEM 形貌及能譜Fig. 6 SEM morphology and energy spectrum at displacement amplitude of 90 μm

2.5 物 相

圖7 是涂層與涂層為對摩副，分別以位移幅值30，60，90 μm 循環(huán)對摩后的磨損區(qū)域XRD 譜。

圖7 不同位移幅值對摩條件下磨痕XRD 譜Fig. 7 XRD patterns of wear marks at different displacement amplitudes

從XRD 譜中可以看出，由于超音速火焰噴涂工藝制備涂層的過程是快速冷卻非平衡凝固的過程[9]，鈷基涂層的結(jié)晶度比較低，呈現(xiàn)非晶態(tài)。 不同的位移幅值循環(huán)對摩，涂層的主要組成相無變化，主要由Co7Mo6、Co3Mo 及Co3Mo2Si相組成，未檢測到氧化物相產(chǎn)生；由于T800 是鈷基T 系合金的代表，T800 合金在制備態(tài)的組織應(yīng)為鈷基固溶體，其基體上可析出大量含有Si 和Mo 元素的Laves 相，Laves 相具有六方密排晶體結(jié)構(gòu)，其成分相當于Co3Mo2Si[10，11]、Co7Mo6[12]和CoMoSi[11]，且固溶了大量Cr、Mo 和Si 的鈷基固溶體為亞穩(wěn)的面心立方結(jié)構(gòu)晶型[13]，與經(jīng)微動磨損試驗后的涂層XRD 譜比較，涂層仍然主要為原始態(tài)的鈷基相結(jié)構(gòu)，涂層表面氧化輕微，且微動磨損區(qū)域小(接觸面積1 mm2，位移幅值＜100 μm)，產(chǎn)生的氧化相含量較少，氧化相的峰較難發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

采用氧氣助燃超音速火焰噴涂CoMoCrSi(T800 系列)涂層，對比了不同位移幅值條件下的涂層高溫微動磨損性能特點，分析了涂層微動磨損形貌特征和磨損機制。 得出以下主要結(jié)論:

(1)當位移幅值為30 μm 和60 μm 時，摩擦系數(shù)呈波動上升趨勢，摩擦系數(shù)最終穩(wěn)定于0.35 和0.55 左右并保持至105次循環(huán)次數(shù)；當位移幅值增加到90 μm時，摩擦系數(shù)一直處于波動狀態(tài)。

(2)隨位移幅值增加，涂層表面磨痕面積與深度都增大，磨損體積和磨損率同時增加，磨損率與磨損體積呈正比關(guān)系。

(3)隨位移幅值增加，磨損機制從輕微塑變向磨粒磨損及黏著磨損混合機制、磨粒磨損伴黏著磨損機制發(fā)展。

(4)超音速火焰噴涂工藝制備的鈷基涂層結(jié)晶度比較低，呈現(xiàn)非晶態(tài)。 不同的位移幅值循環(huán)對摩條件下，微動磨損區(qū)域涂層的主要組成相無變化，主要由Co7Mo6、Co3Mo 及Co3Mo2Si 相組成。