鋁含量對鎳鉻鋁膨潤土可磨耗封嚴(yán)涂層性能的影響

胡曉蕾 ，郭丹，李振鐸，劉建明，章德銘，張娜，丁志偉，黃兆暉

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160 2.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043 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.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；5.北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621)

0 引言

航空工業(yè)的迅速發(fā)展對航空發(fā)動機(jī)的性能提出了越來越高的要求，低油耗、大推力、長壽命已成為新一代航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)[1,2]。發(fā)動機(jī)的氣路密封即轉(zhuǎn)子與機(jī)匣的徑向間隙大小對壓氣機(jī)和渦輪機(jī)效率及耗油率都有極大的影響[3,4]。封嚴(yán)涂層由于其具有抗高溫氧化、抗腐蝕、可磨耗好等優(yōu)點(diǎn)，被引入作為“犧牲型”材料，成為控制轉(zhuǎn)、靜子間隙的常用方法，通過采用熱噴涂的方法在壓氣機(jī)或機(jī)匣內(nèi)表面沉積涂層。當(dāng)葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉尖刮削封嚴(yán)涂層，在涂層上形成凹槽且不損壞葉尖，這樣可在葉尖與機(jī)匣之間獲得理想的最小間隙，從而顯著提高發(fā)動機(jī)效率，并降低燃油消耗[5-9]?？赡ズ姆鈬?yán)涂層由于生產(chǎn)工藝簡單、可修復(fù)和性能調(diào)整簡易，可以為機(jī)匣提供隔熱保護(hù)的同時(shí)，減少高溫、高速燃?xì)庖鸬臄_動或喘振等不穩(wěn)定現(xiàn)象而得到了迅速的發(fā)展[10,11]。

可磨耗封嚴(yán)涂層大多為復(fù)合材料，通常由一定比例的金屬相和具有自潤滑作用的非金屬相組成[12,13]，一方面具有良好的自潤滑性能及可磨耗性能，與葉尖對磨時(shí)發(fā)生主動磨耗從而保護(hù)葉片，同時(shí)還具有一定的抗沖蝕性，能抵抗發(fā)動機(jī)中高速氣流及其中固體粒子的沖刷。兩相組合后的封嚴(yán)涂層具有較好的熱穩(wěn)定性、耐沖擊性、可磨耗性、耐腐蝕性以及與基體優(yōu)良的結(jié)合性能[14,15]。

鎳鉻鋁膨潤土作為一種中高溫封嚴(yán)涂層材料，常用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和透平機(jī)等封嚴(yán)部位[16-18]。本文采用火焰噴涂方式制備鎳鉻鋁膨潤土涂層，研究了鋁含量在3.33 wt.%～4.68 wt.%范圍內(nèi)粉末所制備涂層的基本性能，通過對涂層的形貌、硬度、結(jié)合強(qiáng)度以及可磨耗性的測試和分析，初步探討了鎳鉻鋁膨潤土粉末鋁含量對鎳鉻鋁膨潤土涂層性能的影響。

1 試驗(yàn)過程與方法

1.1 粉末成分設(shè)計(jì)

采用化學(xué)包覆工藝制備了三種不同鋁含量的鎳鉻鋁膨潤土粉末。制備的粉末典型形貌如圖1所示，由圖可知，粉末形狀為類球形，鎳鉻鋁膨潤土粉末結(jié)構(gòu)為鎳鉻鋁金屬層包覆膨潤土核心顆粒的殼核結(jié)構(gòu)。對鎳鉻鋁膨潤土粉末中的鋁含量采用ICP-AES 法測試，鋁含量的設(shè)計(jì)含量與實(shí)測含量如表1 所示。

表1 Al 含量的設(shè)計(jì)值與實(shí)測值Table 1 Design value and measured value of Al content

圖1 鎳鉻鋁膨潤土粉末表面及截面：(a) 表面；(b) 截面Fig.1 SEM images of surface and cross-section of the NiCrAl bentonite powder: (a) surface; (b) cross-section

1.2 涂層制備

分別采用等離子噴涂系統(tǒng)和METCO 6P-Ⅱ氧-乙炔火焰噴涂系統(tǒng)在基體表面制備底層和鎳鉻鋁膨潤土封嚴(yán)涂層，其中粘結(jié)層材料選用鎳鉻鋁粉末（礦冶科技集團(tuán)有限公司，KF-110），噴涂參數(shù)見表2，面層為鎳鉻鋁膨潤土粉末，噴涂參數(shù)見表3。噴涂后對所制備涂層的微觀組織形貌、硬度、結(jié)合強(qiáng)度等進(jìn)行測試研究。

表2 粘結(jié)層噴涂參數(shù)Table 2 Spraying parameters of bonding layer

表3 面層噴涂參數(shù)Table 3 Spraying parameters of surface layers

1.3 涂層性能測試

采用日立公司的HitachiSU-5000 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和分析顯微組織形貌。選取同一涂層不同視野的五張100 倍截面顯微照片，根據(jù)不同襯度采用Image J 圖像分析軟件測定涂層中金屬相與膨潤土、孔洞相占比，取五次測量的平均值。涂層硬度測量在MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀上依照GB/T231.1-2000 進(jìn)行，硬度標(biāo)尺為HR15Y，測試前對涂層表面打磨平整。涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用粘結(jié)拉伸法檢測。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。拉斷時(shí)單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強(qiáng)度。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均采取三個(gè)試樣進(jìn)行測試，取其平均值作為最終結(jié)果。

采用礦冶科技集團(tuán)研制的BGRIMM-ATR型可磨耗試驗(yàn)機(jī)對鎳鉻鋁膨潤土涂層試樣的可磨耗試驗(yàn)進(jìn)行測試，可磨耗涂層試樣的尺寸為100 mm×40 mm×8 mm；對磨葉片試樣材質(zhì)為GH4169。試驗(yàn)溫度為25 ℃和650 ℃、線速度300 m/s，進(jìn)給速率5 μm/s，進(jìn)給深度為700 μm。將刮削試驗(yàn)前后的葉片高度變化與總進(jìn)給深度的比值定義為葉片高度磨損比 (IDR)，通過下式計(jì)算：

Δh：葉片高度差，Δh=刮削前高度h1-刮削后高度h2；I：涂層磨痕深度。

當(dāng)刮削試驗(yàn)后，葉片高度減小(Δh＞0)時(shí)，按公式(1)計(jì)算IDR，總侵入深度=磨痕深度+葉片高度差，即總的侵入深度是葉尖磨損的長度與涂層被刮削的深度之和。葉片高度增加(Δh＜0)時(shí)，按公式(2)計(jì)算IDR，即有涂層材料向葉尖的粘附造成葉片高度增加，總侵入深度=磨痕深度。

IDR是評價(jià)涂層可磨耗性能的定量指標(biāo)。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。

2 結(jié)果及分析

2.1 涂層形貌

不同鋁含量的鎳鉻鋁膨潤土復(fù)合粉末經(jīng)火焰噴涂獲得的涂層微觀組織形貌如圖2 所示，其中，白色相為鎳鉻鋁金屬骨架組分，黑色相為膨潤土和孔洞，由圖2 可知，不同鋁含量粉末制備的鎳鉻鋁膨潤土涂層中鎳鉻鋁骨架組分與膨潤土相組織分布均勻，無裂紋，涂層與底層無明顯粘接不牢現(xiàn)象。表4 為涂層中兩相的占比，隨著鋁含量增加，涂層中金屬相占比增加。

圖2 采用不同Al 含量鎳鉻鋁膨潤土復(fù)合粉末制備涂層的微觀組織形貌：(a) 3.33 wt.%，(b) 4.19 wt.%，(c) 4.68 wt.%Fig.2 Microstructure and morphology of coatings prepared by NiCrAl bentonite composite powder with different Al content: (a) 3.33 wt.%, (b) 4.19 wt.%, (c) 4.68 wt.%

表4 涂層中各相的占比Table 4 Proportion of each phases in the coating

2.2 鋁含量對涂層硬度的影響

對不同鋁含量鎳鉻鋁膨潤土粉末制備涂層的硬度進(jìn)行測定，結(jié)果如表5 所示，圖3 為鎳鉻鋁膨潤土涂層的硬度隨鋁含量的變化曲線，由圖3可知，隨鋁含量增加，涂層的表面硬度相應(yīng)提高。鎳鉻鋁膨潤土粉末在火焰噴涂過程中，其中的鋁粉發(fā)生鋁熱反應(yīng)提高粉末溫度，使得金屬組分充分熔化，從而保證骨架組分的連續(xù)性。當(dāng)粉末中的鋁含量偏低時(shí)，放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱能較低，金屬相在噴涂過程中熔化效果變差，所形成的涂層金屬骨架不連續(xù)，金屬相占比較低，涂層硬度較低，隨鋁含量逐漸提高，鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱能升高，金屬相熔化更充分，涂層中金屬相占比增加，因此，涂層硬度隨之提高。

圖3 不同Al 含量涂層硬度變化Fig.3 Hardness variation of Coating with Different

表5 涂層硬度(HR15Y)對比Table 5 Hardness of coatings (HR 15Y)

2.3 鋁含量對涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響

對不同鋁含量鎳鉻鋁膨潤土粉末制備封嚴(yán)涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測定，結(jié)果如表6 所示，結(jié)合強(qiáng)度與鋁含量關(guān)系圖如圖4 所示。由表6 及圖4可得，隨著鋁含量的增加，鎳鉻鋁膨潤土涂層的結(jié)合強(qiáng)度呈升高趨勢。根據(jù)前期研究可知[6]，粉末中鋁含量越高，鋁熱反應(yīng)越劇烈，粉末在火焰噴涂過程中金屬組分熔化越充分，涂層中金屬骨架連續(xù)性增加，涂層孔隙率減少，涂層的結(jié)合強(qiáng)度越高。

表6 涂層結(jié)合強(qiáng)度Table 6 Bond Strength of Coating

圖4 不同鋁含量的涂層結(jié)合強(qiáng)度變化Fig.4 Bonding strength variation of coating with different Al content

2.4 涂層可磨耗性

通過對三種不同鋁含量鎳鉻鋁膨潤土粉末制備涂層的基本性能對比可知，Al 含量為4.68 wt.%粉末制備涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度均較優(yōu)，因此對Al 含量為4.68 wt.%的鎳鉻鋁膨潤土涂層的可磨耗性進(jìn)行測試。涂層的對磨試驗(yàn)結(jié)果見表7，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，無論是室溫還是高溫，對磨后IDR值≤6%，說明鋁含量的提高不僅提高涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，且涂層在室溫及高溫下與GH4169 葉片試樣對磨過程中均表現(xiàn)出了優(yōu)異的可磨耗性能。在室溫及650 ℃下涂層的IDR值均為正值，說明在室溫及高溫下對磨均發(fā)生了一定程度的葉片葉尖磨損，導(dǎo)致葉片的高度減小。并且可以看出，與室溫對比，在650 ℃高溫下IDR值升高、葉尖磨損增加，這可能與高溫下環(huán)境溫度疊加摩擦生熱導(dǎo)致GH4169 葉片產(chǎn)生軟化導(dǎo)致其耐磨性降低有一定關(guān)系。

表7 葉片高度、總進(jìn)給深度及IDR 值Table 7 The blade height, the total feed depth and the calculation of the IDR

3 結(jié)論

本文研究了鋁含量在3.33 wt.%～4.68 wt.%之間鎳鉻鋁膨潤土粉末制備涂層的組織和性能，得出以下結(jié)論：

(1) 所制備鎳鉻鋁膨潤土涂層中鎳鉻鋁金屬骨架組分相與膨潤土可磨耗組分分布均勻，隨著粉末中鋁含量增加，所制備涂層中金屬相占比逐漸升高。

(2) 隨著粉末中鋁含量的增加，涂層的硬度和結(jié)合強(qiáng)度均呈現(xiàn)上升趨勢，分析認(rèn)為這是由于粉末在火焰噴涂過程中鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱能升高，金屬相熔化更充分。

(3) 鋁含量為4.68 wt.%鎳鉻鋁膨潤土復(fù)合粉末噴涂涂層，組織均勻性好，涂層硬度為52.84 HR15Y，結(jié)合強(qiáng)度為6.63 MPa，在室溫及高溫下IDR 值均小于6%，可磨耗性優(yōu)異。