新型封嚴涂層高溫高速磨耗試驗機的研制

劉振波，宣海軍，沈 婕，張 娜，黎曉宇

（1.浙江大學工學部高速旋轉機械實驗室，杭州310027；2.北京礦冶研究總院，北京100160）

0 引言

航空發動機封嚴涂層[1]在高溫高速氣流環境下工作，要求具有極高的綜合性能。除高溫結構強度、穩定性、結合強度、抗沖蝕、抗熱震以外，可磨耗性也是封嚴涂層所具有的1種典型性能[2]，即封嚴涂層與高速轉動部件發生刮擦時應能承受全部的磨耗磨損，而轉動部件不發生或只發生可容忍的損傷[3]。封嚴結構動靜配副材料之間的刮削現象可以歸納為復雜、極端工況下固-固摩擦學問題[4]，但目前尚未形成完整理論，封嚴涂層可磨耗性研究主要依靠試驗技術。自20世紀50年代以來，針對航空渦輪發動機氣路密封以及可磨耗封嚴涂層材料的研究衍生出多種試驗方法：如早期的硬度法和硬度劃痕法[5]、銷-盤滑動磨損法和車削法，后期的單擺沖擊試驗法[6-7]和高速沖擊刮削法[8]等。這些方法的不足使試驗與實際工況下的高速刮擦磨損行為存在很大差距。研究表明，當刮削線速度超過100m/s時，封嚴涂層磨耗機理會發生較大轉變[9]；此外發動機中封嚴配副以微量刮削的方式發生多次刮擦的情況，上述試驗方法和設備均不能有效模擬。為此，瑞士Sulzer公司[10]等專門研制了用于封嚴配副高速高溫工況下可磨耗性能試驗的設備。但中國對于封嚴材料可磨耗性能的大部分研究仍然局限于低速銷-盤磨損試驗及單擺沖擊刮削試驗等。

本文介紹了1套自行研制的能夠模擬高速高溫碰摩工況的封嚴涂層可磨耗試驗機的性能和研制情況。

1 磨耗試驗技術要求

研究表明，影響封嚴涂層可磨耗性的主要因素按照重要程度從高到低依次為：進給速率、刮削線速度、葉尖厚度、進給深度、磨耗密度[11]。磨耗試驗技術要求試驗機能夠模擬葉片與封嚴涂層的高速刮削，摩擦副形式應盡可能與實際發動機一致，高速轉子應具有足夠的徑向支撐剛度以減小徑向振動對試驗結果的影響，葉片與涂層之間的徑向相對進給可以通過控制封嚴涂層試樣實現。進一步的研究發現，葉片寬度對封嚴涂層的磨削機理沒有明顯影響，美國NASA、PWA及瑞士Sulzer等均采用小尺寸模擬葉片，以降低試驗費用。

國內外典型磨耗試驗設備的性能參數見表1。考慮到中國發動機封嚴涂層研制的實際需求，確定本文研制的磨耗試驗機的性能指標：試樣進給速率為5~2000μm/s，葉尖最高線速度為300m/s，葉尖厚度為0.5~2.0mm，模擬葉片寬度為10~20mm，試樣加熱溫度為室溫~800℃，進給深度為0.1~3.0mm。

表1 國內外典型磨耗試驗設備性能參數

2 試驗機組成及工作原理

封嚴涂層高溫高速可磨耗試驗機的工作原理如圖1所示。試驗機由高速旋轉部件、進給平臺、高溫加熱器、測控元器件等組成。模擬葉片安裝在高速旋轉的輪盤上，通過涂層試樣的徑向進給實現葉片與涂層的碰摩，利用高速火焰加熱涂層試樣。在一定葉尖線速度時，通過調整試樣進給速率保證葉片單次刮削量[12]。在試驗過程中，對葉尖速度、主軸振動、試樣加熱溫度、進給速率、進給深度等參數進行在線監控。在加熱及磨耗過程中使用非接觸式紅外測溫儀監測涂層試樣表面溫度。利用3向測力儀測量磨耗過程中切向、徑向的瞬態刮削力。

圖1 可磨耗試驗機工作原理

3 關鍵技術及其實現

3.1 葉尖線速度

試驗器設計的最大葉尖半徑為250mm，為達到300m/s的葉尖速度，輪盤的轉速需達到11460r/min。比較國內外磨耗試驗器驅動輪盤高速旋轉的方法：Sulzer使用2MW 電機經高速齒輪箱驅動試驗轉子，具有功率大、性能優良的特點，但制造費用極高；NASA、ALSTOM[13]、Sheffield大學以及中科院金屬所等采用高速電機直接驅動，具有結構緊湊的優點，但功率有限，價格昂貴。

實驗室結合自身技術優勢，將主軸設計成懸臂柔性轉子，以直流電機為動力源，通過高速皮帶增速，采用擠壓油膜阻尼器實現主軸減振[14]，結構如圖2所示。阻尼器能夠有效抑制振動，使高速轉子順利跨越臨界轉速。

圖2 高速轉子系統

3.2 模擬葉片安裝

模擬葉片及其安裝方式的設計是在滿足結構強度的前提下，需方便拆裝，并盡可能地減輕空氣阻力。航空發動機中常用的葉片與輪盤的連接方式為榫槽結構，Sulzer、PWA等的磨耗試驗器即采用該方式。但榫槽結構形狀復雜，加工成本比較高。因此，本文采用的銷釘連接方式如圖3所示。葉片高速旋轉產生的離心力載荷主要由銷釘剪切面承受，具有結構簡單、加工制造容易、安裝拆卸方便等優點。

圖3 模擬葉片夾持方式

3.3 試樣高溫加熱

Sulzer采用氧氣-丙烷火焰加熱，試樣溫度可達1100℃，加拿大NRC采用試樣基板背面電阻絲加熱[15]，中科院金屬所采用激光泵浦對試樣正面進行輻照加熱[16]。

本文采用高速高溫氧氣-乙炔火焰直接加熱涂層試樣及基板，如圖4所示。通過調節氧氣和乙炔的流量控制火焰燃燒強度，調整火焰與試樣基板之間的距離，配合遠程視頻監控系統，實現對加熱溫度的準確控制。

圖4 試樣加熱系統

3.4 試樣徑向進給

為精確控制試樣進給速率和深度，采用伺服電機作為動力源，通過大速比精密行星齒輪減速器驅動微米級高精密平臺運動。采用PLC專用位置控制模塊、伺服電機驅動器與高精度光柵尺完成對試樣進給速率和進給深度的閉環反饋控制。進給平臺的伺服電機、減速器參數與進給速率的對應關系見表2，試驗器最終實現了1.5~2025μm/s進給速率的準確控制。

表2 試樣進給速率與系統配置關系

3.5 刮擦力測量

選用國產壓電式3向測力儀測量徑向和切向動態變化磨削力，量程為Fx,max=1000N，Fz,max=2000N。測量原理如圖5所示。3向測力儀作為測力系統的核心傳感器部件，與封嚴涂層試樣、工裝、隔熱冷卻器等部件共同組成“試樣及附件-測力儀-基礎”振動系統[17]，在葉尖與封嚴涂層刮擦瞬間，產生切向和徑向2個脈沖激勵力[18]，引起測力平臺的振動，壓電石英晶體產生與激勵力大小相對應的電荷信號，經電荷放大器放大后輸出電壓信號，由高速數據采集卡采集存儲到工控機中。

圖5 振動測力系統原理

4 功能測試

試驗器完成安裝和部件功能測試后，進行封嚴涂層高溫高速磨耗試驗功能的實測。結果表明：葉尖速度控制精度在0.1%以內；試樣進給速率500μm/s時誤差在0.1%以內，試樣進給速率降到5μm/s時誤差控制在4%以內；涂層試樣加熱溫度可控制在800℃±10℃；徑向和切向刮削力能夠被完整地記錄；試驗機完全能滿足封嚴涂層可磨耗性能測試的要求。

在試驗過程中，主軸轉速與試樣加熱溫度的控制曲線如圖6所示。圖中藍色水平線為設定的目標轉速，草綠色水平線為設定的加熱溫度，黑色曲線表示轉速變化，藍綠色曲線表示加熱溫度變化，最下方的紅色曲線表示振動變化。輪盤開始升速后，點燃氧氣-乙炔火焰開始加熱涂層試樣，在輪盤達到目標轉速后，適當微調火焰將試樣溫度控制在目標范圍內，然后啟動試樣進給平臺完成1次磨耗過程。從圖6中可見，在葉片與涂層試樣磨耗過程中，涂層表面溫度發生明顯變化。

圖6 轉速與溫度控制曲線

在試驗過程中進給速率的控制曲線如圖7所示。當主軸轉速達到設定的目標值并穩定后，徑向進給系統開始啟動，開始階段以較快的速率徑向進給，涂層試樣接近旋轉的葉片葉尖位置時按照設定的進給速率慢速進給，直至進給深度達到目標值，然后進給平臺反向快速退出。從圖7中可見，進給速率比較穩定，幾乎沒有波動。

圖7 進給速率控制曲線

在磨耗過程中，完整的磨削力和單次磨削力的測量數據如圖8所示。從圖中可見，磨削作用力是1次明顯的瞬態沖擊振動衰減過程。

1組封嚴涂層與GH4169合金葉片磨耗試驗結果如圖9所示。實現了不同葉尖速度、不同試樣加熱溫度和不同進給速率的試驗。

圖8 磨削力變化過程

圖9 封嚴涂層磨耗試驗結果

5 結論

（1）試驗機能夠完成葉尖切線速度范圍為0~300 m/s、試樣進給速率為1.5~2025μm/s、試樣加熱溫度范圍為室溫~800℃的模擬工況條件下的封嚴涂層磨耗試驗。

（2）輪盤增速方案、模擬葉片安裝方法、試樣加熱和微動進給裝置、刮削力測量方法等都是切實可行的。

（3）通過更換封嚴配副的材料或結構，試驗器可推廣應用于蜂窩、篦齒等封嚴結構的磨耗性能試驗，以及“鈦火”試驗，并且可進一步推廣應用于高速碰摩轉子耦合動力學特性研究領域。并通過對試驗機動力和輔件適當改進，可進一步將葉尖速度提高至500m/s，試樣加熱溫度提高至1200℃。

葉片刮削碰摩式磨耗試驗技術必將在各種封嚴材料可磨耗性能研究方面得到廣泛應用，并為中國先進航空發動機技術的發展做出重要貢獻。

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