一種固體潤滑涂層在燃機旁路機構上的應用

姜 英 李秀麗 婁 霞

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

一種固體潤滑涂層在燃機旁路機構上的應用

姜 英 李秀麗 婁 霞

(東方汽輪機有限公司， 四川 德陽， 618000)

在試板、 燃機旁路機構零部件上對一種固體潤滑涂料進行了一系列的工藝試驗和性能測試， 找到了該涂料的最佳噴涂參數和該涂層制備的最佳工藝流程。該潤滑涂層的外觀、厚度、耐磨性和結合力均達到了燃機旁路機構零部件的技術要求，并將該潤滑涂層在生產中成功應用。

固體潤滑涂料；燃機；旁路機構

1 前言

旁路機構[1，2]作為燃機的重要部件， 其大部分零部件都必須滿足在高溫下仍具有低摩擦、潤滑性穩定等性能， 因此這些零部件表面潤滑涂層[3，4]的選擇就變得尤為重要。 DF-Ⅱ固體潤滑涂料是一種以氮化硼為主潤滑劑的耐熱性固體潤滑涂料，它具有優異的耐熱性和承載能力，同時還具有摩擦系數低、耐蝕性良好、使用溫度范圍寬、易于加工和無污染等特點，可在高溫環境下維持一定程度的潤滑性。但是該涂層的制作工藝卻十分苛刻，為了使其能在燃機旁路機構上得到應用，對該潤滑涂料進行了一系列的工藝試驗和性能測試，最終得到了該涂料在燃機旁路機構上的最佳噴涂參數，并在生產中得到成功應用。

2 試驗

2.1 試樣準備

試 板 制 備 ： 分 別 制 備 2Cr12NiMo1W1V、1Cr12Mo 這 兩 種 材 料 的 試 板 ， 試 板 尺 寸 均 為100mm×50mm×5mm。

模擬件制備： 采用 12Cr2Mo1 材料按燃機旁路機構上需要制備潤滑涂層的零部件的尺寸制備相應的模擬件。

2.2 工藝流程

由于該潤滑涂層制備工藝較為復雜，因此經過多次試驗最終確定該潤滑涂層的主要工藝流程如圖1所示。

圖1 潤滑涂層生產工藝流程圖

2.2.1 清洗、 脫脂

采用金屬清洗劑擦洗后，再用丙酮徹底除去殘余油污。

2.2.2 噴砂

使用 240# 白剛玉砂對試板、 模擬件表面進行噴砂處理， 要求達到 Sa2.5 級。

2.2.3 噴涂潤滑涂層

噴砂后 4h 內進行噴涂處理， 要求將 DF-Ⅱ涂料進行充分攪拌，使其混合均勻，噴涂時溫度20～25℃、 濕度 50%～70%RH。

2.2.4 固化

將噴涂完成的試板或模擬件放入固化爐，升溫到 220℃， 保溫 1h 后隨爐降溫。 而對尺寸較大不能進入固化爐的零部件采用在室溫晾置 24h 以上的常溫固化方式。

2.3 性能測試

2.3.1 宏觀性能檢測

在試板和模擬件表面噴涂固體潤滑涂料，干燥固化后對其外觀、涂層厚度、金相組織等進行檢測。固體潤滑涂料的主要技術指標如表1所示。

表1 DF-Ⅱ固體潤滑涂料的主要技術指標

2.3.2 耐磨性檢測

采用 SRV 高溫磨損試驗機 （德國 Optimol公司）， 對 DF-Ⅱ潤滑涂層耐磨性進行了測試， 具體試驗條件為： 接觸載荷： 50N； 接觸形式： 面接觸； 行程： 1.1mm； 潤滑條件： 干摩擦； 往復頻率： 30Hz； 溫度： 450℃。

3 試驗結果與分析

3.1 涂層外觀

根據燃機旁路機構零部件表面技術要求，首先采用在試板上噴涂 DF-Ⅱ固體潤滑涂料的方式進行了施工工藝的篩選和穩定工作，然后對燃機中旁路機構零部件的模擬件進行了涂層制備。具體涂層外觀如圖2所示。從圖2中可以看出，無論是試板還是模擬件，它們的涂層均呈黑灰色且顏色均勻。該涂層表面均沒有氣泡、裂紋以及剝落等缺陷存在。

圖2 試板與模擬件涂層外觀

3.2 涂層厚度

在試板和模擬件表面噴涂 DF-Ⅱ固體潤滑涂層，對噴槍的流量、壓力、距離、移動速度等參數都進行了篩選，同時進行了涂層厚度的檢測，最后確定了最佳的噴涂參數。表2是采用最佳工藝噴涂的試板和模擬件涂層厚度檢測結果，其中涂層厚度檢測取點位置按相關技術標準要求進行。從表2中可以看出，無論是試板還是模擬件的DF-Ⅱ固體潤滑涂層厚度均在 10～20μm 之間， 滿足燃機旁路結構潤滑涂層厚度的要求。隨著零件結構復雜度的增加，涂層厚度的均勻性會相應有所降低。

表2 DF-Ⅱ固體潤滑涂層厚度檢測結果

為了保證模擬件在噴涂潤滑涂層后，整體厚度均滿足技術要求，在噴涂前后對模擬件1進行了尺寸檢測，結果如表3所示。從工件幾何尺寸的變化可以看出，涂層厚度與金相檢測結果相同，在 10～20μm 范圍內， 滿足了技術要求。

表3 模擬件1的尺寸檢測結果

3.3 金相檢測

為了進一步觀察試板以及模擬件上潤滑涂層的宏觀形貌，對試板和模擬件涂層進行了金相檢測， 檢測結果如圖3～圖9 所示。

圖3 試板上涂層金相組織結構（500X）

圖4 模擬件 1 靠近內圓圓弧 （100X）

圖5 模擬件 1 靠近外圓平臺 （100X-1）

圖6 模擬件 1 靠近外圓平臺 （100X）

圖7 模擬件 1 內圓 （100X-2）

圖8 模擬件 2 （500X-1）

圖9 模擬件 2 （500X-2）

從圖3～圖9 可以看出， 無論是試板還是模擬件的潤滑涂層均為灰黑色相間的層狀結構，由此可以看出 DF-Ⅱ固體潤滑涂層的潤滑性能良好。而且在這些金相照片中均沒有看到氣孔和裂紋等缺陷，說明優化出的最佳噴涂參數，可以制備出性能優良的潤滑涂層。涂層厚度也和測試結果相吻合， 滿足 10～20μm 的技術要求。

3.4 耐磨性

為了進一步了解 DF-Ⅱ固體潤滑涂層的耐磨性， 進行了平板滑動試驗， 具體結果見圖10。 由于試驗條件所限，常溫固化的試樣無法檢測，圖10中數據均為加溫固化試樣的摩擦系數值。 從這些數據可以看出：在加溫固化的條件下，四個試樣涂層的摩擦系數 （μ 值）相差不大， 平均范圍均在 0.58～0.73 范圍之內， 滿足燃機旁路機構對潤滑涂層耐磨性能的要求。

圖10 DF-Ⅱ固體潤滑涂層摩擦系數的變化情況

3.5 結合力

燃機旁路結構零部件的潤滑涂層不僅要求潤滑性能好，同時結合力也必須滿足要求。防止潤滑涂層剝落造成安全事故。 因此對 DF-Ⅱ涂層與基材的結合力進行了測試， 測試結果如圖11所示。 從圖11中可以看出， 雖然無論是常溫固化還是加溫固化，涂層的結合力均滿足要求，但是加溫固化后涂層的結合強度是常溫固化的 3～7 倍。因此，對涂層結合強度要求較高的零部件最好采用加溫固化的方式。

圖11 潤滑涂層結合強度對比圖

4 結論

經過對 DF-Ⅱ固體潤滑涂料進行的一系列工藝試驗和性能測試，總結出了最佳的噴涂技術參數以及最佳的涂層制備工藝。同時得出了以下結論：

（1）DF-Ⅱ固體潤滑涂層可采用加溫固化，也可采用常溫固化，其涂層外觀均勻，無氣泡、裂紋和剝落等缺陷存在；

（2）DF-Ⅱ固體潤滑涂層的結合力和耐磨性均滿足燃機旁路結構零部件的技術要求；

（3）采用加溫固化的 DF-Ⅱ固體潤滑涂層與基材的結合力和耐磨性均優于常溫固化的涂層；

總之， DF-Ⅱ固體潤滑涂層在實際生產中的成功應用，目前在國內尚屬首創，填補了國內汽輪機制造廠家在該技術上的空白。

［1］黃慶宏.汽輪機與燃氣輪機原理及應用［M］.南京:東南大學出版社，2005

［2］焦樹建.燃氣-蒸汽聯合循環［M］.北京:機械工業出版社，2003

［3］馮大鵬,劉近朱,毛紹蘭,等.高溫無機潤滑涂層的研究進展[J].機械工程材料,1998,22(6)：5-7,22

［4］張祥林,喬曉勇,章小峰,等.高溫固體自潤滑涂層的發展[J].新技術新工藝，2006(11):7-11

Application of Solid Lubricant Coatings on the Bypass Mechanism of Gas Turbine

Jiang Ying， Li Xiuli， Lou Xia
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

A series of process experiments and performance testswere conducted for solid lubricant coatings on the test piece and the part of gas turbine bypass mechanism.The best spraying parameter and the best coating preparation process were found.The appearance,thickness,resistance and bonding strength of these lubricant coatingsmet the technical requirements of the gas turbine bypassmechanism,and this lubrication coating had been applied in production successfully.

solid lubricant coatings,gas turbine,bypassmechanism

姜英 （1969-）， 女， 本科， 副主任工程師， 1992 年畢業于四川輕化工學院電化學與防腐蝕專業， 現主要從事表面工程技術工作。