鈷基合金刷絲與碳化鉻涂層高線速度磨損行為研究

徐乙人,祝天一,李永健*,王長亮,馬 婷,胡廣陽,王玉明

(1.清華大學(xué) 摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;2.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(yàn)室,北京 100095;3.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 沈陽 110015)

刷式密封能夠顯著降低透平機(jī)械的漏氣損失，是篦齒密封的最簡(jiǎn)單、最實(shí)用、最有效的替換產(chǎn)品，目前刷式密封越來越多地應(yīng)用于各種透平機(jī)械[1].刷式密封允許刷絲尖端和轉(zhuǎn)子表面發(fā)生摩擦，這是刷式密封泄漏量顯著低于篦齒密封的原因，但刷絲與跑道之間的磨損會(huì)使泄漏量增大，因此刷式密封磨損問題一直受到工程界的高度重視.例如Derby等[2]針對(duì)刷式密封研究了多種刷絲材料和耐磨涂層材料的摩擦磨損行為，開展了摩擦副篩選工作；孫曉萍[3]開展了340 h刷式密封性能和耐久性測(cè)試，研究了磨損導(dǎo)致的刷式密封性能衰減現(xiàn)象；Menendez等[4]研究了工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)刷式密封的磨損問題，提出了通過合理選擇刷封孔徑以減小磨損和摩擦熱的設(shè)計(jì)思想.近年來，關(guān)于刷式密封磨損研究更為深入，Thakare等[5]深入分析了刷絲尖端磨損后的犁溝、塑性變形及高溫融化氧化等現(xiàn)象，董書娜等[6-7]基于Archard黏著磨損模型定量研究了刷絲磨損量變化規(guī)律及其對(duì)密封性能的影響.但截至目前，人們對(duì)刷式密封的磨損機(jī)理仍沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，例如文獻(xiàn)[7-8]中認(rèn)為刷絲與跑道之間的磨損類型為黏著磨損，而文獻(xiàn)[9-10]則指出刷絲磨損有顯著的磨粒磨損特征.刷式密封磨損機(jī)理研究對(duì)其減磨、耐磨設(shè)計(jì)有重要的理論指導(dǎo)作用，能為選擇磨損速率計(jì)算公式提供依據(jù)，因此有必要對(duì)刷式密封的磨損機(jī)理進(jìn)行深入分析.此外新一代發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)刷式密封提出了超過400 m/s的工作線速度的要求[11]，這不僅超過了現(xiàn)有刷式密封的應(yīng)用水平，還超出了大多數(shù)摩擦磨損試驗(yàn)器的試驗(yàn)?zāi)芰?，需要針?duì)性地開展刷式密封高線速度磨損試驗(yàn)研究.

本文中利用超高速試驗(yàn)機(jī)開展刷式密封刷絲束與跑道耐磨涂層之間的磨損測(cè)試，以GH5605鈷基高溫合金刷絲和爆炸噴涂的碳化鉻涂層為摩擦副，兩者均為刷式密封常用材料.通過掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)及對(duì)比試驗(yàn)等方法，分析辨別刷絲和跑道耐磨涂層之間的磨損機(jī)理.另一方面達(dá)到400 m/s超高線速度磨損試驗(yàn)條件，以研究超高摩擦線速度對(duì)刷式密封磨損行為的影響，為刷式密封在超高線速度條件下的應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)方法

為保證試驗(yàn)安全，對(duì)400 m/s線速度條件下轉(zhuǎn)子的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行了分析評(píng)估，結(jié)果表明：對(duì)高溫合金、結(jié)構(gòu)鋼和鈦合金等金屬材料的圓環(huán)形跑道，當(dāng)其外徑線速度達(dá)到400 m/s時(shí)，離心載荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力與材料強(qiáng)度極限接近.若使用圓環(huán)形跑道試件開展400 m/s線速度磨損試驗(yàn)，則必須在試驗(yàn)件設(shè)計(jì)加工和試驗(yàn)安全保證方面投入極高的成本，因此在試驗(yàn)采用了非整環(huán)的跑道試樣.摩擦磨損試驗(yàn)在北京航空材料研究院的AST621型超高速試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)的最高線速度可以達(dá)到450 m/s.試驗(yàn)原理如圖1所示，跑道試件隨圓盤高速旋轉(zhuǎn)，使其外緣的表面與刷絲束尖端相對(duì)摩擦，跑道試件上的過渡圓角可減輕試驗(yàn)時(shí)的沖擊作用，刷絲束試件固定在安裝座上，可通過電驅(qū)動(dòng)位移微調(diào)臺(tái)調(diào)節(jié)安裝座與轉(zhuǎn)盤的相對(duì)位置，從而設(shè)定刷絲束和跑道試件之間的初始干涉量.

Fig.1 Wear test scheme圖1 磨損試驗(yàn)方案

跑道試件基體材料為GH4169高溫合金，試件上的耐磨涂層為碳化鉻涂層，該涂層以Cr3C2為硬質(zhì)相，以NiCr合金為粘結(jié)相，跑道試件涂層采用爆炸噴涂的方法制備[12-15].噴涂完成后對(duì)跑道試件涂層表面進(jìn)行磨削，使其光潔度Ra達(dá)到0.4 μm，涂層厚度為0.3 mm.刷絲材料為GH5605高溫合金絲材，試件的刷絲直徑為Ф0.1 mm，刷絲傾角約為45°，刷絲自由端的徑向高度為14 mm.刷絲束試件從完整的刷式密封環(huán)中切割得到，對(duì)應(yīng)的刷式密封環(huán)內(nèi)徑為Ф498 mm，為方便觀察刷絲束狀態(tài)，刷絲束試件采用了無前板設(shè)計(jì).按表1所列的參數(shù)進(jìn)行三組摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)a和b的摩擦線速度為100 m/s，試驗(yàn)c的摩擦線速度為400 m/s.試驗(yàn)b與試驗(yàn)a相比增大了刷絲束與跑道的初始干涉量，試驗(yàn)c與試驗(yàn)a相比增大了摩擦線速度，三組試驗(yàn)中跑道試件與刷絲束試件的摩擦次數(shù)相同.

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀形貌

圖2(a1)、(b1)和(c1)所示分別為試驗(yàn)a、b和c中跑道試件試驗(yàn)后的照片，圖中箭頭方向?yàn)榕艿涝嚰c刷絲束相對(duì)摩擦的方向，觀察3個(gè)跑道試件表面的磨痕位置，可發(fā)現(xiàn)在跑道試件表面最先接觸刷絲束的位置磨損較為嚴(yán)重.在試驗(yàn)a和試驗(yàn)b中，跑道表面的磨損痕跡相對(duì)較輕，無明顯磨損深度.但在試驗(yàn)c中，跑道試件表面出現(xiàn)了具有明顯深度的磨溝，且磨溝貫穿了跑道試件的測(cè)試區(qū)域，這與試驗(yàn)c中400 m/s的超高線速度條件有關(guān).圖2(a2)、(b2)和(c2)所示為試驗(yàn)后的刷絲束試件照片，分別與試驗(yàn)a、b和c對(duì)應(yīng)，從圖中可以看出刷絲束均出現(xiàn)了不同程度的刷絲變形，其中試驗(yàn)c的部分刷絲出現(xiàn)了較大的塑性變形.對(duì)各試件的刷絲尖端進(jìn)行目視觀察，試驗(yàn)a和試驗(yàn)b中刷絲束的尖端呈現(xiàn)銀白色金屬光澤，而試驗(yàn)c對(duì)應(yīng)的刷絲束尖端呈現(xiàn)一定的藍(lán)色，說明試驗(yàn)c中摩擦表面可能存在刷絲高溫氧化現(xiàn)象.

Fig.2 Photos of specimens after tests圖2 試驗(yàn)后試件照片

2.2 微觀形貌

對(duì)磨損試驗(yàn)后及未進(jìn)行磨損試驗(yàn)的刷絲束試件進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，獲得刷絲束尖端微觀形貌的SEM照片，圖3(a)、(b)和(c)所示依次為試驗(yàn)a、b和c磨損試驗(yàn)后的刷絲束試件磨損形貌的SEM照片，圖3(d)所示為未磨損的刷絲束試件的磨損形貌的SEM照片.圖3(a1)、(a2)和(a3)所示為刷絲束尖端處三種不同比例尺的微觀形貌的SEM照片，其余類似.

Fig.3 SEM micrographs of wear morphologies of bristle tips after the tests and the initial morphology圖3 試驗(yàn)后刷絲尖端磨損形貌及其初始形貌的SEM照片

由圖3可知，雖然試驗(yàn)后同一刷絲束上不同刷絲的磨損形貌特征存在一定差異，但每個(gè)刷絲束試件上大部分刷絲呈現(xiàn)出相近的磨損形貌特征.從圖3(d)可以看出，刷絲尖端的初始形貌呈現(xiàn)凸凹不平狀態(tài)，這是因?yàn)樗⒔z尖端初始斷面是通過線切割產(chǎn)生的，雖然可對(duì)刷式密封環(huán)的內(nèi)孔進(jìn)行修磨，以使刷絲尖端平整，但這對(duì)于刷式密封并不是必要的.從圖3(a)可以看出，試驗(yàn)a中刷絲尖端呈現(xiàn)出明顯的層片狀金屬流動(dòng)及犁溝形態(tài)，說明其在測(cè)試過程中受到了摩擦副試件的“涂抹”和“犁削”作用.圖3(b)中試件b的刷絲尖端與圖3(a)相比較為平整，但從圖3(b3)所示的高倍顯微照片可以看出，試件b的刷絲尖端同樣以層片狀金屬流動(dòng)和犁溝為主要磨損特征，但更明顯地呈現(xiàn)出“抹平”和“磨平”現(xiàn)象.對(duì)于摩擦線速度為400 m/s的試驗(yàn)c，可從圖3(c1)中發(fā)現(xiàn)刷絲尖端粘連現(xiàn)象，同時(shí)刷絲尖端位置存在跨越多根刷絲的犁溝，在圖3(c3)中亦能觀察到層片狀金屬流動(dòng).

跑道表面磨痕面積較大，磨痕上不同位置的微觀磨損形貌存在一定差異.圖4(a)所示為試驗(yàn)a中跑道磨痕的SEM照片，可知此處涂層存在明顯損傷，被磨區(qū)域呈現(xiàn)鱗片狀材料附著形態(tài).圖4(b)所示為試驗(yàn)b中跑道磨痕的一處微觀形貌圖像，此處涂層受到的損傷相對(duì)較小，大部分面積保持了平整的狀態(tài)，但涂層材料剝落現(xiàn)象使其表面的凹坑增多、增大，同時(shí)涂層的未剝落區(qū)域可見少量刷絲材料附著.圖4(c)所示為試驗(yàn)c中跑道表面磨損后的形貌，可見磨溝位置存在嚴(yán)重的材料附著和涂抹現(xiàn)象，而在磨溝的兩側(cè)，呈現(xiàn)出與試驗(yàn)a和b類似的刷絲材料附著和涂層損傷現(xiàn)象.圖4(d)為跑道表面碳化鉻涂層試驗(yàn)前的微觀形貌，因噴涂后對(duì)涂層進(jìn)行了磨削，所以跑道表面較為平整，但仍可見一些凹坑分布在涂層表面，這可能與爆炸噴涂的碳化鉻涂層內(nèi)部存在孔隙有關(guān)，亦可能因?yàn)槟ハ鬟^程中涂層材料存在一定的剝落現(xiàn)象.綜合上述對(duì)涂層磨損形貌的分析可知，碳化鉻涂層磨損的主要特征為材料剝落和刷絲材料附著.

Fig.4 SEM micrographs of wear morphologies of the coatings after the tests and its initial morphology圖4 試驗(yàn)后涂層的磨損形貌及其初始形貌的SEM照片

2.3 能譜分析

根據(jù)刷絲和跑道碳化鉻涂層的材料組成成分，進(jìn)行能譜分析時(shí)選取了Co、Cr、W、Ni和Fe五種主要金屬元素及O元素作為研究對(duì)象，根據(jù)幾種金屬元素的相對(duì)比例分析判斷刷絲和跑道之間的材料轉(zhuǎn)移狀況，并根據(jù)O元素的比例判斷摩擦熱導(dǎo)致的材料高溫氧化情況.刷絲尖端各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)列于表2中，由表2可知各金屬元素的相對(duì)比例與刷絲材料GH5605材料基本一致，刷絲尖端Ni元素含量未升高，說明涂層中的鎳-鉻合金未向刷絲尖端轉(zhuǎn)移.表2中試驗(yàn)c刷絲尖端的氧元素含量顯著高于試驗(yàn)a和試驗(yàn)b，這說明試驗(yàn)c中刷絲尖端存在顯著的高溫氧化現(xiàn)象.圖5所示為圖3(a3)對(duì)應(yīng)的主要元素分布圖，從圖5中可以看出，圖3(a3)中刷絲尖端的顆粒狀附著物為氧化物，而不是Cr2C3陶瓷顆粒，實(shí)際上充當(dāng)硬質(zhì)相的Cr2C3陶瓷顆粒是非金屬材料，不容易粘附在刷絲尖端.

Fig.5 EDS results of a bristle tip圖5 刷絲尖端的能譜分析結(jié)果

表2 刷絲尖端主要元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Mass fraction of major elements at bristle tips

圖6所示為圖4(c)對(duì)應(yīng)的Co和Cr兩種元素分布情況.由圖可知試驗(yàn)后跑道表面存在大量Co元素，嚴(yán)重磨損的中心區(qū)域，Co元素濃度最高，而磨損相對(duì)輕微的兩側(cè)，Co元素濃度最低.Cr元素的分布情況與Co元素相反.在試驗(yàn)前，跑道NiCr-Cr3C2耐磨涂層基本不含Co元素，因此試驗(yàn)后跑道涂層表面的Co元素來自刷絲.上述能譜分析結(jié)果表明：在刷絲束和跑道相對(duì)摩擦過程中，材料是從刷絲向跑道表面單向轉(zhuǎn)移的.

Fig.6 Distribution of cobalt and chromium on the coated surface of test c圖6 試驗(yàn)c涂層表面鈷元素和鉻元素分布情況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 磨損機(jī)理

在GH5605刷絲束與碳化鉻涂層構(gòu)成的摩擦副中，相互摩擦的兩個(gè)試件均存在磨損，因試件材料及結(jié)構(gòu)形式不同，其磨損表現(xiàn)和磨損機(jī)制亦不相同.在刷式密封實(shí)際應(yīng)用中，一般刷絲的磨損量遠(yuǎn)大于跑道耐磨涂層，刷絲磨損是導(dǎo)致刷式密封性能下降的主要原因，本節(jié)中重點(diǎn)分析刷絲磨損機(jī)理，對(duì)涂層的磨損機(jī)理僅作簡(jiǎn)單分析.

按磨損機(jī)理的不同，通常將磨損劃分為4個(gè)基本類型[16-17]：磨粒磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損及腐蝕磨損.疲勞磨損和腐蝕磨損顯然不是刷絲尖端的主要磨損形式，考慮黏著磨損和磨粒磨損兩種磨損類型即可，但如前文所述，研究人員對(duì)刷式密封的磨損機(jī)理持有不同觀點(diǎn).黏著磨損與磨粒磨損存在著一些類似特征，例如兩種磨損均可產(chǎn)生涂抹及磨溝形貌.而且這兩種磨損機(jī)制常同時(shí)存在，例如發(fā)生磨粒磨損后，從軟材料脫落的磨屑可能再次與軟材料黏著.下文中首先剖析兩種磨損機(jī)制的區(qū)別，再進(jìn)一步分析判斷刷絲的磨損機(jī)理，最后通過“砂紙-刷絲”磨損試驗(yàn)對(duì)刷絲尖端磨損機(jī)制進(jìn)行確認(rèn).

在黏著磨損中，材料在類似“冷焊”的黏著作用下發(fā)生塑性變形及轉(zhuǎn)移，依據(jù)文獻(xiàn)[17]繪制的黏著磨損機(jī)理示意圖如圖7所示.在磨粒磨損中，硬質(zhì)顆粒或硬突起使軟材料發(fā)生脫落或變形，圖8所示為塑性材料二體磨粒磨損機(jī)理的示意圖，圖8(a)所示的尖銳磨粒一般使軟材料表面出現(xiàn)“犁溝”，而圖8(b)所示的圓滑磨?？稍谲洸牧媳砻娈a(chǎn)生“涂抹”狀的磨痕.黏著磨損和磨粒磨損在機(jī)理上有著本質(zhì)不同，磨粒磨損中的作用力是“機(jī)械力”，而黏著磨損中的“冷焊”是一種原子鍵合作用，這使得兩種磨損產(chǎn)生的磨損形貌存在差異.從磨損形貌及摩擦副的表面成分變化情況辨別兩種磨損機(jī)理一般是可行的，例如Fabbro等[18]通過磨損形貌辨析了摩擦副在不同條件下發(fā)生的是黏著磨損或磨粒磨損.

Fig.7 Mechanism of adhesive wear圖7 黏著磨損機(jī)理示意圖

Fig.8 Schematic diagram of abrasive wear for plastic materials圖8 塑性材料的磨粒磨損示意圖

磨粒磨損和黏著磨損中都可能存在涂抹現(xiàn)象，從圖3中的刷絲尖端呈現(xiàn)的磨損形貌可以看出，刷絲尖端存在較多材料被“抹平”的塑性變形，這種涂抹形貌與圖8(b)所示的磨損過程是類似的，即軟材料在硬材料的機(jī)械力涂抹作用下發(fā)生塑性變形.三組試驗(yàn)中刷絲尖端均存在清晰的犁溝特征，尤其在圖3(c1)中存在跨越多根刷絲的長犁溝，這些犁溝是跑道表面的凸起劃過刷絲表面后通過材料擠出或去除形成的，顯然刷絲尖端的犁溝是磨粒磨損作用下出現(xiàn)的.雖然三組試驗(yàn)中刷絲呈現(xiàn)出的磨損形貌存在一定差別，但刷絲尖端均未發(fā)現(xiàn)黏著撕裂形貌，觀察到的“犁溝”、“涂抹”及“抹平”形貌特征均支持磨粒磨損的觀點(diǎn)，所以判斷磨粒磨損為主要的磨損機(jī)制.對(duì)材料硬度進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)得跑道表面碳化鉻涂層的維氏硬度HV0.5值為804，測(cè)得GH5605試樣的維氏硬度HV0.5值為490，刷絲硬度值為耐磨涂層的60%，兩種材料硬度的顯著差異也支持磨粒磨損為主要磨損機(jī)制的觀點(diǎn).磨粒磨損分為二體磨粒磨損和三體磨粒磨損兩種形式，刷式密封中每根刷絲尖端摩擦表面的面積很小，自由磨粒難以停留在刷絲尖端和跑道之間，主要的磨損形式為涂層硬質(zhì)凸起在刷絲尖端造成的材料變形或材料去除，故可進(jìn)一步認(rèn)為刷絲尖端的磨損主要為二體磨粒磨損.

但在另一方面，跑道表面可見大量的刷絲材料附著，即存在顯著的材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，而材料轉(zhuǎn)移一般被認(rèn)為是黏著磨損的重要特征，這與上文中得到的磨粒磨損結(jié)論存在一定矛盾.為此進(jìn)行了一項(xiàng)對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，即將刷絲束尖端在砂紙機(jī)上摩擦，此時(shí)砂紙上的硬質(zhì)磨粒對(duì)刷絲存在磨粒磨損作用，通過將刷絲磨損形貌及材料轉(zhuǎn)移情況與試驗(yàn)a、b和c進(jìn)行對(duì)比，可進(jìn)一步驗(yàn)證上文結(jié)論.

圖9(a)所示為被砂紙磨過的刷絲尖端表面，可以看出刷絲與砂紙摩擦后所呈現(xiàn)的形貌與圖3類似.對(duì)摩擦后的砂紙進(jìn)行觀察，亦可在砂粒尖端發(fā)現(xiàn)如圖9(b)所示的刷絲材料附著現(xiàn)象，且砂粒尖端的材料附著形態(tài)與圖4(a)所示的跑道表面的附著形態(tài)相似.該試驗(yàn)結(jié)果表明磨粒磨損過程亦可存在材料的轉(zhuǎn)移及附著現(xiàn)象.可判斷圖9所示砂粒尖端的GH5605合金是材料脫離刷絲后附著在砂粒表面的，而刷絲與跑道耐磨涂層之間的材料轉(zhuǎn)移機(jī)制是類似的.

Fig.9 SEM micrographs of micro-morphologies of bristle tips and sandpaper after rubbing圖9 刷絲和砂紙?jiān)谀Σ梁蟮奈⒂^形貌的SEM照片

在三種試驗(yàn)參數(shù)條件下，碳化鉻涂層均出現(xiàn)不同程度的材料剝落現(xiàn)象.涂層材料剝落導(dǎo)致涂層表面產(chǎn)生新的粗糙峰，增大了涂層表面粗糙程度，使涂層對(duì)刷絲尖端的材料去除作用更為顯著.對(duì)刷式密封耐磨涂層而言，應(yīng)該關(guān)注并提升其“抗剝落”能力，從而使耐磨涂層在工作過程中盡可能保持光滑，降低涂層對(duì)刷絲的磨粒磨損作用.此外，在研究刷式密封的磨損速率時(shí)，建議從磨粒磨損機(jī)理出發(fā)選擇刷絲磨損速率計(jì)算公式.

3.2 離心漲大效應(yīng)

轉(zhuǎn)子受到的離心載荷與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，轉(zhuǎn)子的離心膨脹變形會(huì)迅速增大.用于安裝跑道試件的轉(zhuǎn)盤直徑為Φ560 mm，轉(zhuǎn)盤呈中心無孔的圓餅狀，其厚度由中心至邊緣逐漸減小.分析計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)摩擦線速度為100 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)盤的單邊離心膨脹量僅為0.016 mm，但當(dāng)摩擦線速度達(dá)到400 m/s時(shí)，轉(zhuǎn)盤單邊離心膨脹量達(dá)到0.26 mm.所以在400 m/s的超高線速度條件下，刷絲與跑道的干涉量遠(yuǎn)超過安裝時(shí)的初始干涉量，這將顯著增大跑道涂層和刷絲之間的摩擦磨損.使用共聚焦顯微鏡觀察試驗(yàn)c中跑道表面的磨溝并測(cè)量其深度，結(jié)果如圖10所示，測(cè)得磨溝深度值約0.3 mm，明顯超過了試驗(yàn)c中設(shè)置的初始干涉量0.1 mm.使用轉(zhuǎn)盤離心膨脹的計(jì)算結(jié)果對(duì)干涉量進(jìn)行修正，可得干涉量最大值約為0.36 mm，這與磨溝深度基本相符.雖然在試驗(yàn)b中設(shè)置了0.5 mm的初始干涉量，但試驗(yàn)b中的線速度較小，未產(chǎn)生試驗(yàn)c中的劇烈摩擦現(xiàn)象，沒有產(chǎn)生類似試驗(yàn)c的磨溝.在刷式密封設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理選擇刷絲與跑道的初始過盈量，避免出現(xiàn)非必要的劇烈磨損.

Fig.10 Measurement of wear depth of tested specimen圖10 試件磨損深度測(cè)量

3.3 摩擦熱及沖擊作用

試驗(yàn)c中，刷絲束尖端出現(xiàn)了粘連及嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，說明在高線速度條件下，摩擦熱的迅速積累可能使刷絲尖端溫度接近材料熔點(diǎn)，這一方面會(huì)破壞刷絲束的狀態(tài)，另一方面將造成刷絲尖端耐磨性急劇下降，導(dǎo)致刷絲出現(xiàn)迅速磨損.摩擦發(fā)熱功率取決于摩擦力及相對(duì)速度，但刷絲尖端溫度水平不僅與摩擦發(fā)熱功率有關(guān)，還與刷絲的散熱速率有關(guān)，在刷式密封工作過程中，當(dāng)刷式密封摩擦生熱與散熱平衡時(shí)，刷絲溫度不應(yīng)超過其材料性能顯著下降的溫度.

在本試驗(yàn)過程中，采用了非整環(huán)的跑道與刷絲束進(jìn)行相對(duì)摩擦，并通過設(shè)置過渡圓角的方法減輕試驗(yàn)時(shí)的沖擊作用，但與圓環(huán)形跑道試驗(yàn)件相比沖擊載荷仍然較大，并導(dǎo)致部分刷絲出現(xiàn)如圖2(c2)所示的大變形.在刷式密封實(shí)際應(yīng)用中，振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)引發(fā)跑道與刷絲束之間的沖擊接觸，此外當(dāng)跑道為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉冠時(shí)，因相鄰葉冠之間存在空隙，刷絲亦會(huì)受到類似的沖擊作用，但目前關(guān)于刷式密封工作過程中的沖擊現(xiàn)象尚缺乏深入研究.

4 結(jié)論

a.對(duì)于以鈷基合金刷絲和碳化鉻涂層為摩擦副的刷式密封，刷絲磨損機(jī)制主要為二體磨粒磨損，刷絲尖端磨損形貌以犁溝和涂抹為主要特征，涂層的磨損形貌以材料剝落和刷絲材料附著為主要特征.

b.碳化鉻涂層的剝落現(xiàn)象導(dǎo)致涂層表面粗糙程度增大，從而加劇其對(duì)刷絲的磨粒磨損作用，須對(duì)刷式密封耐磨涂層的抗剝落能力予以重視.

c.在400 m/s超高摩擦線速度條件下，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生明顯的離心膨脹變形，使刷絲束和碳化鉻耐磨涂層之間干涉量顯著增大，并導(dǎo)致強(qiáng)烈磨損現(xiàn)象.在刷式密封應(yīng)用中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)刷絲與跑道的干涉量或間隙值，從而避免出現(xiàn)過度磨損.

d.刷絲和跑道之間高速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱可使得刷絲尖端出現(xiàn)粘連及嚴(yán)重氧化現(xiàn)象，降低刷絲的耐磨性，加快刷絲磨損.