鋁青銅聚酯封嚴(yán)涂層的制備和可磨耗性能評(píng)價(jià)

楊 杰，安宇龍，趙曉琴，陳 杰，周惠娣，陳建敏

（1中國(guó)科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)采用壓氣機(jī)使空氣增壓升溫，得到的高溫壓縮空氣在燃燒室與燃料燃燒產(chǎn)生高溫燃?xì)鈱?duì)渦輪葉片做功從而為壓氣機(jī)和渦輪機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，并經(jīng)由尾部噴口高速噴出為飛機(jī)提供動(dòng)力。為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率、降低油耗，應(yīng)該盡量減小壓氣機(jī)、渦輪機(jī)葉片尖端與機(jī)閘之間的間隙［1－4］。在機(jī)閘內(nèi)表面通過熱噴涂技術(shù)制備可磨耗封嚴(yán)涂層，與葉片形成密封摩擦副，可以有效減小這一間隙，同時(shí)該涂層所具有的多孔結(jié)構(gòu)和較低的硬度可以避免損傷葉片尖端［5，6］。此外，封嚴(yán)涂層需要承受高速氣流的沖蝕作用，必須具有一定的機(jī)械強(qiáng)度［7，8］。綜合這兩方面的要求，可磨耗封嚴(yán)涂層的組分一般有：（1）金屬或者陶瓷作為骨架支撐涂層；（2）石墨、聚酯等作為造孔組分，在降低涂層硬度的同時(shí)也可作為低溫潤(rùn)滑組分；（3）h－BN，CaF2／BaF2，膨潤(rùn)土等作為高溫封嚴(yán)涂層的潤(rùn)滑組分［9－12］。

鈦合金具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較低的密度，是發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)葉片的常用材料；而對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行氣路封嚴(yán)主要有鋁硅－石墨／聚酯和鎳－石墨兩類可磨耗涂層。隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，需要進(jìn)一步提高壓氣機(jī)的增壓比，這也不可避免地造成了壓氣機(jī)工作溫度的升高，傳統(tǒng)的鋁硅涂層使用溫度較低（＜400℃）［13］，難以作為更高溫度下的封嚴(yán)涂層；而鎳基涂層硬度較高，不宜與鈦合金葉片配副［14］。Metco公司開發(fā)的鋁青銅－聚酯涂層（604NS，605NS和610NS系列）可以作為540℃以下的可磨耗封嚴(yán)涂層使用，國(guó)內(nèi)對(duì)這種涂層的研究報(bào)道還較少。另外，可磨耗封嚴(yán)涂層是一種大厚度大面積涂層，對(duì)噴涂粉末需求量極大，須設(shè)法降低粉末原料的成本［1］。基于此，本工作采用機(jī)械混合制備了鋁青銅聚酯復(fù)合噴涂粉末，并采用大氣等離子噴涂沉積了相應(yīng)涂層，通過滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)對(duì)比考察了該涂層與Metco 605NS涂層的可磨耗性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 噴涂粉末

實(shí)驗(yàn)粉末原料見表1。利用聚酯易吸附的特點(diǎn)，采用不規(guī)則形狀鋁青銅合金粉末（KF130）和極細(xì)的聚酯粉末（CGZ－351－8）通過機(jī)械混合制備了用于噴涂的復(fù)合粉末。由此制得的粉末（聚酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）外觀更接近于純的聚酯粉末，這是由于聚酯密度小，體積分?jǐn)?shù)大，且吸附于金屬顆粒外表面造成的。

表1 噴涂粉末的成分組成與粒徑Table1 Composition and particle size of the sprayed powder

1.2 涂層制備

采用APS－2000A大氣等離子噴涂設(shè)備在1Cr18 Ni9Ti不銹鋼基底上（φ25mm×7.75mm）沉積鋁青銅聚酯可磨耗涂層。噴涂前用丙酮超聲清洗底材，并對(duì)表面噴砂粗化以提高涂層結(jié)合強(qiáng)度。噴涂前基底預(yù)熱至90℃，噴涂角度為（90±5）°，噴涂過程中保持溫度不超過150℃，噴涂參數(shù)見表2。涂層1為Metco 605NS涂層，涂層2為混合粉末涂層。采用X射線衍射儀（D／Max－2400）對(duì)噴涂態(tài)涂層進(jìn)行相組成分析。

表2 涂層噴涂參數(shù)Table2 Spraying parameters of the coatings

1.3 涂層的滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)

滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)采用CSM高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用銷盤式點(diǎn)接觸的實(shí)驗(yàn)方式，圖1示出了摩擦實(shí)驗(yàn)原理。實(shí)驗(yàn)所用對(duì)偶銷為TC4（Ti6Al4V）合金，銷前端為半徑3mm半球，摩擦實(shí)驗(yàn)前由金相砂紙打磨至表面光滑無劃痕。為使實(shí)驗(yàn)初期鈦合金對(duì)涂層有較大侵入深度，實(shí)驗(yàn)所用載荷為10N（侵入深度約40μm）。實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速為500r／min，時(shí)間為2000s，實(shí)驗(yàn)溫度分別為室溫（25℃），200℃，400℃。實(shí)驗(yàn)前所有試樣和銷都經(jīng)丙酮除油除污。摩擦實(shí)驗(yàn)后通過掃描電子顯微鏡（JSM－5600LV）觀察涂層磨痕，由表面輪廓儀（Micro－XAM非接觸式三維輪廓儀）測(cè)量涂層磨損體積，結(jié)合對(duì)偶鈦合金的磨損情況考察兩種涂層的可磨耗性能。

圖1 摩擦實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the frictional tester

2 結(jié)果與討論

2.1 噴涂粉末與涂層表征

圖2為兩種噴涂粉末的掃描電鏡照片。Metco 605NS噴涂粉末具有較高球形度，金屬顆粒粒徑較大且表面光滑平整，聚酯顆粒粒徑較小且表現(xiàn)出一定程度的團(tuán)聚。在混合粉末中，聚酯也表現(xiàn)出團(tuán)聚現(xiàn)象，且在不規(guī)則形狀的金屬顆粒表面吸附。在可磨耗封嚴(yán)涂層中，聚酯作為造孔劑和低溫下的潤(rùn)滑組分，可以降低涂層硬度和摩擦因數(shù)從而保護(hù)葉片不受損傷。但是聚酯與金屬密度差別大，在噴涂焰流中容易發(fā)生分層影響涂層質(zhì)量。因此，聚酯粉末在金屬顆粒表面的吸附團(tuán)聚，一定程度上可以抑制噴涂過程中兩種組分的分層，減小噴涂過程中聚酯的損失。

圖2 噴涂粉末掃描電鏡照片（a）Metco 605NS；（b）混合粉末Fig.2 SEM images of the sprayed powders（a）Metco 605NS；（b）mixing powder

圖3為兩種涂層表面的掃描電鏡照片。電鏡照片中亮色組分為聚酯。可以看出，涂層2中存在更多聚酯和孔隙。聚酯在320℃以上開始分解，在420℃以上出現(xiàn)明顯失重［15］，因此在噴涂過程中部分聚酯被燒蝕而在涂層中形成孔隙。此外，金屬顆粒在等離子焰流中熔化后高速撞擊基底，快速冷卻和鋪展過程中也形成大量微孔隙［16］。涂層2的顯微組織中具有更多孔隙和聚酯，這是由于聚酯在金屬顆粒表面的吸附有利于提高其在涂層中的含量，而不規(guī)則形狀的鋁青銅粉末有利于增大涂層中的孔隙。

圖3 噴涂態(tài)涂層表面掃描電鏡照片（a）涂層1；（b）涂層2 Fig.3 SEM images of the surface of the as－sprayed coatings（a）coating 1；（b）coating 2

2.2 涂層滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

圖4示出了不同溫度下，兩種涂層與鈦合金對(duì)偶配副時(shí)摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。可以看出，在室溫和200℃下，兩種涂層均表現(xiàn)出較低且穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，這是由于鋁青銅和聚酯在低溫下均具有減摩作用。而在400℃下，兩種涂層摩擦因數(shù)顯著升高且波動(dòng)較大，這可能有兩方面因素，一方面是聚酯的燒蝕使涂層失去部分潤(rùn)滑作用，另一方面鋁青銅在高溫下減摩作用有限。

圖4 不同溫度下摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線（a）25℃；（b）200℃；（c）400℃Fig.4 Friction coefficient curves versus time at different temperatures（a）25℃；（b）200℃；（c）400℃

圖5 不同溫度下涂層磨痕掃描電鏡照片（a）涂層1；（b）涂層2；（1）25℃；（2）200℃；（3）400℃Fig.5 SEM images of worn scars of coating 1（a）and coating 2（b）at different temperatures（1）25℃；（2）200℃；（3）400℃

圖5為不同溫度下兩種涂層磨痕的掃描電鏡照片。在室溫和200℃下，兩種涂層磨痕內(nèi)光滑平整，磨損機(jī)制均表現(xiàn)為黏著和犁削。而在400℃下，兩種涂層磨損量均顯著增大，磨痕內(nèi)存在明顯的塑性變形和致密化，磨損機(jī)制表現(xiàn)為黏著剝落和犁溝。此外，由圖5（a－3），（b－3）中 A，B兩區(qū)域內(nèi) EDS元素組成分析結(jié)果（見表3）可以看出，涂層磨痕表面存在黏著轉(zhuǎn)移的Ti合金元素，這說明在高溫下摩擦配副的黏著轉(zhuǎn)移是相互的。

表3 400℃下涂層磨痕內(nèi)元素組成Table3 EDS analysis of the worn scars of coatings at 400℃

圖6為不同溫度下兩種涂層的磨損體積。在室溫和200℃時(shí)，涂層2磨損體積均大于涂層1，這是由于涂層2顯微組織中具有更多的孔隙和聚酯。而在400℃時(shí)，涂層1磨損體積大于涂層2則是由于聚酯的燒蝕和涂層的致密化使得其磨損體積取決于鋁青銅基質(zhì)的性能。而根據(jù)涂層的XRD分析（圖7），涂層2中存在涂層1所不具有的γ2相（金屬間化合物Cu9Al4），作為硬質(zhì)相［17］，在涂層致密化后γ2相提高了涂層硬度使得在高溫下涂層2磨損體積較涂層1小。因此，在制備用于可磨耗封嚴(yán)涂層的鋁青銅粉末原料時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)硬質(zhì)γ2相。

圖6 不同溫度下涂層的磨損體積Fig.6 Wear volumes of the two coatings

圖7 涂層與噴涂粉末的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of the as－sprayed coatings and sprayed powder

圖8為不同溫度下鈦合金對(duì)偶磨痕的光學(xué)顯微鏡照片。在室溫和200℃下，兩涂層對(duì)鈦合金對(duì)偶的磨損均表現(xiàn)為涂層的黏著轉(zhuǎn)移；而在400℃下，與涂層1對(duì)磨的鈦合金對(duì)偶出現(xiàn)黏著剝落，而涂層2由于硬質(zhì)γ2相的存在，鈦合金對(duì)偶的磨損主要為磨粒磨損。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作過程中，葉片在自身高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下伸長(zhǎng)，并以極高的入侵速率刮削機(jī)閘上的可磨耗涂層；而在滑動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)中，通過涂層的變形和磨損，銷侵入可磨耗涂層，故涂層致密化程度更高，加之實(shí)驗(yàn)中的點(diǎn)接觸產(chǎn)生的高接觸應(yīng)力和材料高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，故高溫下涂層對(duì)鈦合金對(duì)偶產(chǎn)生的磨損更大。

圖8 鈦合金對(duì)偶磨痕光學(xué)顯微鏡照片（a）與涂層1對(duì)磨；（b）與涂層2對(duì)磨；（1）25℃；（2）200℃；（3）400℃Fig.8 Optical images of the worn scars of the Ti6Al4Vrubbing against coating 1（a）and coating 2（b）at different temperatures（1）25℃；（2）200℃；（3）400℃

3 結(jié)論

（1）極細(xì)的聚酯粉末可以在不規(guī)則形狀的鋁青銅顆粒表面吸附團(tuán)聚，故通過機(jī)械混合可制得用于可磨耗涂層的混合噴涂粉末。在室溫和200℃下，所制得的涂層與鈦合金配副的摩擦因數(shù)均在0.4左右，對(duì)鈦合金磨損輕微，而涂層磨損量均大于Metco 605NS涂層，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的可磨耗性能。

（2）在400℃時(shí)，聚酯的燒蝕和涂層本身致密化使得兩種涂層摩擦因數(shù)均顯著升高且波動(dòng)較大，且對(duì)鈦合金對(duì)偶造成磨粒磨損和黏著剝落。

（3）混合粉末中鋁青銅所具有的硬質(zhì)γ2相，不利于降低所制備涂層的硬度以及保護(hù)配副材料。因此，在制備用于可磨耗封嚴(yán)涂層的鋁青銅原料過程中應(yīng)避免硬質(zhì)γ2相的產(chǎn)生。

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