銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層高溫可磨耗性能研究

李俊辰，羅奎林，陳明旭，錢磊，劉暢

（成都航利實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，成都 611936）

0 引言

近年來，隨著我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，如何推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)向著高效率、低油耗、低排放方向發(fā)展，已成為近年來各航空院所研究的熱點(diǎn)。據(jù)相關(guān)研究表明[1-3]，通過在航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)靜子之間施加封嚴(yán)涂層，減小轉(zhuǎn)靜子間隙，可以有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。涂層結(jié)合強(qiáng)度、涂層抗氧化性能、涂層高溫高速可磨耗性能是評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)之一[4]。針對(duì)前兩項(xiàng)性能指標(biāo)，國(guó)內(nèi)已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了專門研究報(bào)道，而對(duì)封嚴(yán)涂層高溫高速下的可磨耗性研究國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道還不多。

銅鋁/鎳石墨涂層作為高壓壓氣機(jī)部位的封嚴(yán)涂層，其作用是減小高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖與壓氣機(jī)機(jī)匣之間的流量損失，在國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)上已有大量運(yùn)用。目前，針對(duì)銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層的研究主要集中在涂層制備工藝、涂層熱穩(wěn)定性、涂層抗鹽霧腐蝕性能等方面[5,6]，而對(duì)涂層在高溫高速下的可磨耗性能研究較少。如王剛等人[7]雖然對(duì)銅鋁/鎳石墨涂層高溫高速摩擦磨損性能進(jìn)行了研究，但其研究重點(diǎn)在于對(duì)比評(píng)價(jià)銅鋁鎳石墨涂層與鋁/氮化硼涂層之間的優(yōu)劣，未進(jìn)行深入細(xì)致分析。本研究利用高溫超高速磨耗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片葉尖與銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層之間的高溫高速刮擦，對(duì)銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層的可磨耗性能進(jìn)行研究，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)在服役過程中，該涂層的失效模式分析提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

在尺寸為50 mm×70 mm×10 mm 的GH4169基板上，采用Metco 6C-6P 火焰粉末噴涂設(shè)備噴涂3.0 mm 厚的銅鋁/鎳石墨涂層，噴涂粉末采用礦冶科技集團(tuán)有限公司KF-123，噴涂參數(shù)見表1，噴涂后涂層的硬度為65 HR15Y，涂層結(jié)合強(qiáng)度為8.2 MPa，得到涂層標(biāo)準(zhǔn)試樣，涂層典型顯微組織如圖1所示。模擬葉片采用GH4169板材進(jìn)行加工，葉尖尺寸完全按照真實(shí)葉片進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了強(qiáng)化葉尖，在葉尖部位噴涂有涂層，模擬葉片如圖2 所示。利用礦冶科技集團(tuán)有限公司的BGRIMM-ATR 高溫超高速磨耗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按表2 所示參數(shù)進(jìn)行銅鋁/鎳石墨涂層高溫高速可磨耗實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖如圖3 所示[8]。采用體式顯微鏡、ZIESS SIGMA500型掃描電鏡對(duì)涂層和模擬葉尖的形貌進(jìn)行分析，并利用EDS 對(duì)葉尖進(jìn)行能譜分析。

圖1 銅鋁/鎳石墨金相組織Fig 1 Metallography of copper aluminum nickel graphite

圖2 模擬葉片F(xiàn)ig.2 Simulated blade

圖3 高溫高速可磨耗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：(a)示意圖；(b)實(shí)物圖[8]Fig.3 The high temperature and high speed abrasion test platform: (a) schematic diagram; (b) physical map[8]

表1 銅鋁/鎳石墨噴涂參數(shù)Table 1

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters

表3 能譜分析結(jié)果(wt.%)Table 3 The results of EDS (wt.%)

2 結(jié)果與討論

2.1 宏觀形貌分析

高溫高速摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后封嚴(yán)涂層外觀如圖4 所示，可知封嚴(yán)涂層試樣均發(fā)生了較小程度的磨耗，表面均有明顯的與葉片刮削后形成的弧形凹槽，刮削表面粗糙度較小，均勻程度較高，質(zhì)地比較有光澤，涂層表面未出現(xiàn)掉塊、剝落等異常磨損現(xiàn)象。1#試樣和2#試樣的刮削區(qū)域有明顯的切削狀痕跡和“麻坑”，3#試樣刮削區(qū)域表面顏色較為均勻，無(wú)明顯的麻坑。實(shí)際刮磨深度有一定差別，推測(cè)可能與碰磨機(jī)制有關(guān)，當(dāng)進(jìn)給速率較小時(shí)，葉片粘附較嚴(yán)重，被葉片帶走的封嚴(yán)涂層較多，磨損深度大；當(dāng)進(jìn)給速率增加時(shí)，涂層粘附效應(yīng)減弱，被帶走的涂層減少，磨損深度減小。

圖4 銅鋁/鎳石墨封嚴(yán)涂層試樣磨削前后外觀：(a)磨削前；(b) 1 號(hào)試樣；(c) 2 號(hào)試樣；(d) 3 號(hào)試樣Fig 4 Macro morphology of CuAl/Ni graphite sealing coating sample before and after abradability test:(a) before abradability test; (b) 1# sample; (c) 2# sample; (d) 3# sample

圖5 為葉片葉尖高溫高速摩擦磨損前后葉尖體式顯微鏡檢查結(jié)果，磨削前葉片葉尖由細(xì)小、均勻的噴涂態(tài)物質(zhì)組成，磨削后面有較為明顯的磨削痕跡；葉片葉尖表面的覆蓋物質(zhì)呈黑色。葉片葉尖除噴涂態(tài)物質(zhì)外，所有葉尖表面均出現(xiàn)了一層覆蓋物，覆蓋物與葉尖基體有明顯的分界線，覆蓋物質(zhì)表面呈現(xiàn)較淺的磚紅色。

圖5 葉片葉尖宏觀形貌：(a)磨削前；(b) 1 號(hào)試樣；(c) 2 號(hào)試樣；(d) 3 號(hào)試樣Fig.5 Macro morphology of blade tip: (a) before abradability test; (b) 1# sample; (c) 2# sample; (d) 3# sample

2.2 微觀形貌分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證葉片葉尖磨損情況，采用SEM對(duì)試驗(yàn)前后葉尖形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖6 所示，經(jīng)高速摩擦磨損后，葉片葉尖均由一層平整、呈層片狀的覆蓋物和顆粒狀的黑色基體組成，在覆蓋物表面可以看磨損痕跡，磨痕較細(xì)、較淺。在進(jìn)給速率為10 μm/s 時(shí)，葉片表面的覆蓋物較為致密、嚴(yán)實(shí)，隨著進(jìn)給速率的增加，覆蓋物表面出現(xiàn)微裂紋，當(dāng)進(jìn)給速率為100 μm/s 時(shí)，覆蓋物出現(xiàn)了部分脫落，且顯示出層狀脫落跡象。將顆粒狀的黑色基體組織進(jìn)一步放大后，可以看到其顯微組織與圖中未經(jīng)磨損的葉尖涂層組織一樣，可以推斷顆粒狀的黑色基體應(yīng)該為葉尖涂層材料。

圖6 葉片葉尖SEM 形貌：(a), (b)磨削前；(c), (d) 1 號(hào)試樣；(e), (f) 2 號(hào)試樣；(g), (h) 3 號(hào)試樣Fig.6 SEM morphology of blade tip: (a), (b) before abradability test; (c), (d) 1# sample; (e), (f) 2# sample; (g), (h) 3# sample

圖7 為葉片葉尖覆蓋物能譜分析結(jié)果，可以看出層片狀物質(zhì)含有較高含量的Cu 和Al，黑色基體相成分與預(yù)先制備的涂層成分相近，說明銅鋁/鎳石墨涂層在高溫高速磨損實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了粘附磨損現(xiàn)象，葉尖表面的覆蓋物為銅鋁/鎳石墨轉(zhuǎn)移層。同時(shí)，隨著進(jìn)給速率的增加，轉(zhuǎn)移層呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

圖7 能譜分析位置Fig.7 The position of EDS analysis

圖8 為可磨耗試驗(yàn)前后封嚴(yán)涂層表面微觀形貌照片，可以看出試驗(yàn)前涂層由扁平狀的粒子堆積而成，表面凹凸不平，內(nèi)部含有大量的孔隙，為典型的噴涂態(tài)顯微組織特征[9]。高溫高速可磨耗試驗(yàn)后，在葉片葉尖往復(fù)徑向力和切向力的作用下，封嚴(yán)涂層內(nèi)部形成了磨損平面[10]。與可磨耗試驗(yàn)前相比，磨損平面內(nèi)的涂層致密，孔隙較少。同時(shí)，在磨削平面上還觀察到較淺的磨痕，且隨著進(jìn)給速率增加，磨痕深度呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。

2.3 摩擦磨損力分析

圖9 高溫高速可磨耗實(shí)驗(yàn)過程中的作用力變化：(a)平均徑向力和切向力；(b)最大徑向力和切向力Fig.9 Force change during high temperature and high speed abradability test:(a) average radical and tangential force; (b) maxim radical and tangential force

在高溫高速可磨耗實(shí)驗(yàn)中，葉片葉尖與封嚴(yán)涂層試樣進(jìn)行周期性刮削，封嚴(yán)涂層與葉尖之間的作用力顯示出周期性變化特征；同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中，葉尖與涂層之間的間隙處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，這更加劇了葉尖與涂層之間的作用力振蕩變化；因此，現(xiàn)有的研究一般采用葉尖與涂層之間的最大力和平均力來表征二者之間相互作用的劇烈程度[11,12]，圖8 為高溫高速磨損實(shí)驗(yàn)過程中葉尖與涂層相互作用過程中的最大徑向力、最大切向力、平均切向力和平均徑向力變化。由圖8 可知，隨著進(jìn)給速率增大，葉尖與涂層之間的徑向力、切向力、平均徑向力、平均切向力均呈增大趨勢(shì)，這是因?yàn)檫M(jìn)給速率增加，葉尖單次切入量增加，葉尖與涂層之間的碰磨劇烈程度增加。

2.4 磨損質(zhì)量分析

磨損質(zhì)量是定量評(píng)價(jià)葉片葉尖與對(duì)應(yīng)的封嚴(yán)涂層構(gòu)成的體系可磨耗性能匹配性的依據(jù)，其公式定義[19]如下：

IQR=(m1-m2)/(M1-M2)×100%

式中m1：葉片刮削前質(zhì)量(g)；m2：葉片刮削后質(zhì)量(g)；M1：涂層刮削前質(zhì)量(g)；M2：涂層刮削后質(zhì)量(g)。IQR值越小，表示葉片葉尖與封嚴(yán)涂層構(gòu)成的體系可磨耗性能越好，即葉尖涂層在實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)大面積剝落、掉塊、快速磨損的幾率越小。

模擬葉片試樣、封嚴(yán)涂層試樣高溫高速磨損實(shí)驗(yàn)前后質(zhì)量變化，質(zhì)量變化比率、質(zhì)量磨損比(IQR)見表4 所示。可以看出：高溫高速磨損實(shí)驗(yàn)前后，葉片質(zhì)量變化微乎其微；進(jìn)給速率越小，封嚴(yán)涂層磨損量越大，反之越??；在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，磨損質(zhì)量(IQR)均在1%以下，表明葉片葉尖與封嚴(yán)涂層之間的匹配性好[13]。

表4 葉片和涂層試樣的磨損質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of wear quality of blade and coating specimen

2.5 葉尖磨損比值分析

葉片磨損比值(IDR)是評(píng)價(jià)葉尖涂層與封嚴(yán)涂層的可磨耗性能的重要指標(biāo)，葉片磨損比值(IDR)定義、計(jì)算公式及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如文獻(xiàn)所述[13,14]。一般情況下，IDR絕對(duì)值小于10%葉尖涂層與封嚴(yán)涂層的可磨耗性能為優(yōu)，10～20%為良，20%～30%為可接受。表5 為試驗(yàn)前后模擬葉片高度磨損統(tǒng)計(jì)表及IDR計(jì)算值，從表中數(shù)據(jù)可以看出：各組的IDR值均低于10%，即葉片高度變化與進(jìn)給深度的比值較小，由此可見，葉片葉尖涂層與銅鋁-鎳石墨涂層之間具備較好的匹配性。同時(shí)，由表5 可以看出進(jìn)給速率越小，涂層刮削深度計(jì)算值越大，可與涂層在低進(jìn)給速率下較強(qiáng)的粘附轉(zhuǎn)移效應(yīng)有關(guān)。同時(shí)，可磨耗實(shí)驗(yàn)前后，葉片葉尖高度的變化主要與葉尖磨損高度、粘附到葉尖上的涂層及粘附涂層的脫落有關(guān)；當(dāng)葉尖磨損高度與最終留存在葉尖上的粘附涂層高度相當(dāng)時(shí)，試驗(yàn)后便出現(xiàn)了葉尖高度變化為0 的情況，如1#試樣。當(dāng)葉片磨損高度大于最終留存的粘附涂層時(shí)，試驗(yàn)后便出現(xiàn)了2#和3#試樣的情況。

表5 葉片磨損比值Table 5 The IQR of the blade

2.6 可磨耗性能分析

由上述分析結(jié)果可知，涂層在高溫高速可磨耗試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了粘著磨損現(xiàn)象，且隨著進(jìn)給速率的提高、涂層粘著磨損效應(yīng)逐漸減小，對(duì)應(yīng)的葉尖表面轉(zhuǎn)移層減少，封嚴(yán)涂層試樣磨削區(qū)域麻坑減少，磨損深度減小，封嚴(yán)涂層磨損質(zhì)量逐漸減少。

低進(jìn)給速率時(shí)，葉片葉尖與封嚴(yán)涂層接觸，葉片葉尖單次“入侵”封嚴(yán)涂層的深度較小，相互作用力較小，在相同進(jìn)給深度下，葉片葉尖與封嚴(yán)涂層之間的碰磨次數(shù)多，摩擦生熱多摩擦熱的累積效應(yīng)增加，涂層軟化效應(yīng)加強(qiáng)，因此在低進(jìn)給速率時(shí)，涂層切向力和法向力小，粘附轉(zhuǎn)移效應(yīng)強(qiáng)。隨著進(jìn)給速率增加，葉尖單次“入侵”涂層的量增加，葉片葉尖與涂層之間的作用力增加；在相同進(jìn)給深度情況下，葉尖與涂層之間的作用時(shí)間減少，因摩擦而產(chǎn)生的熱效應(yīng)逐漸減弱，涂層粘附效應(yīng)減弱，切削效應(yīng)加強(qiáng)[15-17]。文獻(xiàn)[19]指出，在低的進(jìn)給速率下，涂層主要磨損機(jī)制為粘附轉(zhuǎn)移，且粘附轉(zhuǎn)移至葉尖的涂層會(huì)出現(xiàn)堆積—脫落—粘附的循環(huán)過程。在低的進(jìn)給速率下涂層溫升效應(yīng)明顯，粘附轉(zhuǎn)移嚴(yán)重，堆積脫落發(fā)生過程較快，導(dǎo)致涂層磨損質(zhì)量在低的進(jìn)給速率下較高；當(dāng)進(jìn)給速率增加時(shí)，涂層磨損機(jī)制主要以切削為主，多孔的封嚴(yán)涂層在切削力下，一部分被壓緊、壓實(shí)，一部分被刮走；當(dāng)刮削被帶走的質(zhì)量較低進(jìn)給速率下粘附轉(zhuǎn)移質(zhì)量損失小時(shí)，涂層磨損質(zhì)量便隨著進(jìn)給速率的增加而減小。

3 結(jié)論

(1) 葉片葉尖和封嚴(yán)涂層試樣磨損前后的宏觀形貌分析表明，高溫高速可磨耗后涂層試樣表面封嚴(yán)涂層試樣均發(fā)生了較小程度的磨耗，部分試樣表面出現(xiàn)麻坑，葉尖表面出現(xiàn)涂層轉(zhuǎn)移層。

(2) 葉片葉尖和封嚴(yán)涂層試樣磨損前后的微觀形貌分析表明，在較低的進(jìn)給速率下，高溫高速磨耗過程中涂層粘附轉(zhuǎn)移較為嚴(yán)重，隨著進(jìn)給速率的增加涂層粘附轉(zhuǎn)移減弱，切削加強(qiáng)。

(3) 隨著進(jìn)給速率增加，涂層高溫高速磨削過程中的軸向力和徑向力均增加，涂層磨損質(zhì)量逐漸減小。

(4) 涂層磨損質(zhì)量比值均在1%以下，葉片葉尖磨損質(zhì)量比均在10%以下，表明葉片葉尖與封嚴(yán)涂層的匹配性較好。