镍基耐高温自润滑刷式封严涂层研究.pdf

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1、封面文章c。vERsT。RY镍基耐高温自润滑刷式封严涂层研究米张甜甜1’2，黄传兵1，兰吴1，房师阁1，张伟刚1(1．中国科学院过程工程研究所，北京100190；2．中国科学院大学，北京100049)【摘要】为满足先进航空发动机刷式封严对涂层材料自润滑耐磨性能的要求，采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY—Cr20，和NiCoCrAlY—Cr20，一AgMo两种复合涂层；采用扫描电子显微镜、X射线衍射、拉曼光谱和高温摩擦磨损试验等分析测试手段研究了涂层的物相组成、微观结构、力学性能以及摩擦磨损性能。结果表明：研制的两种新型涂层具

2、有较低的孔隙率、较高的显微硬度和结合强度，从20。C至4800℃的磨损量都在104mm3·N～·m“数量级，显示出优异的耐磨性能；NiCoCrAlY—Cr20，涂层在摩擦系数随着温度的升高而降低，在8000(2达到最低值0．3；NiCoCrAlY—Cr20，一AgMo涂层从400～800qC的摩擦系数一直保持在0．23左右。对其摩擦机理的研究表明：400qC时涂层与高温合金GH4145对磨件之间形成连续的含Ag润滑膜，600qC以上时摩擦表面生成的A92MoO。自润滑相显著降低了涂层的摩擦和磨损。关键词：刷式封严；等离子喷涂；自润滑

3、涂层；摩擦磨损DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．08．024张甜甜博士研究生，研究方向为航空发动机高温固体润滑涂层材料的制备与性能研究。。基金项目：国家自然科学基金(51471159)中国科学院青年创新促进会(2017067)资助。24航空制造技术·2017年第8期航空发动机内部流场存在较大的温度和压强梯度，需要系统封严技术提高发动机的热工效率，目前先进航空发动机的高压压气机和涡轮部位已经开始采用连续接触刷式封严结构[1-31与传统的篦齿封严、叶尖可磨耗封严相比，刷式封严结构可大幅减少气体泄漏量，提

4、高转子运行稳定性，并减轻发动机惰性质量[410刷式封严的刷丝自由端在高温燃气环境下与转子轴表面高速摩擦接触，发生磨损并产生动能损耗。为了降低转子轴表面与刷丝的磨损，采用热喷涂技术在转子轴表面制备高温自润滑耐磨涂层，技术上简单可行并具有经济性‘51。高温固体润滑涂层材料主要包括基体、耐磨材料和润滑剂。高温合金具有良好的高温力学性能、抗氧化腐蚀性、与底材良好的匹配性，可以用作涂层的基体材料，常用的高温合金主要是Ni基和Co基合金；氧化物陶瓷(Cr20，、A1：O，和ZrO：等)以及碳化物陶瓷(CnC，、SiC、WC和TiC等)为常用的耐

5、磨材料；润滑剂是高温固体润滑涂层材料设计的核心，常用的固体润滑材料有石墨、六方氮化硼(h—BN)、金属硫化物(MoS，、WS：)、金属氟化物(BaF，、CaF：)、金属氧化物(MoO，、V，O，)以及软金属(Ag、Au)等[6-7]。目前，具代表性的高温固体自润滑涂层为美国NASA研制的PS系列热喷涂高温自润滑涂层隅。1”。其中PS300系列采用NiCr合金为基体相，Cr：O，为硬质耐磨相，Ag和BaF：·CaF，共晶为润滑相。由于NiCr合金中Cr的氧化造成涂层在高温下变形严重，后续改进型PS400系列涂层采用NiMoAl合金为基

6、体相。PS400在25℃时的摩擦系数为0．3l，在650。C时为0．22，Ag和氟化物的润滑效果得到了很好的体现。但是该涂层在25℃的磨损量较大，为118X10。5mm3·N～·m～。中科院过程所黄传兵等[12-15]通过化工冶金技术制备包覆型NiCr／Cr，C2一BaF：·CaF：复合粉体，并通过等离子喷涂、超音速喷涂和爆炸喷涂技术制备相应的高温耐磨自润滑涂层。该涂层在800℃下摩擦系数为0．28，磨损量在25～800。C都保持在lO-Smm3·N～·in一数量级，具有优异的耐磨性能。由于BaF：·CaF：共晶的低温脆性，涂层在5

7、000C下的摩擦系数较高，且发动机在服役过程中需要经受复杂的升温降温过程，因此要求刷式封严涂层应具有一定的宽温域自润滑耐磨效果。近年来，高温自适应润滑涂层材料得到广泛的研究。所谓“自适应”就是利用两种或几种润滑剂的协同润滑作用实现宽温度范围的润滑耐磨效果。Hu等【l6l利用磁控溅射技术制备了YSZ—Ag—Mo复合涂层，该涂层在25～700℃的摩擦系数稳定在0．4左右；5000C下Ag膜起到润滑作用；高于500℃时表面生成的氧化钼可降低摩擦和磨损。中科院兰化所利用等离子喷涂制备了NiCrAlY一、i29．6Ag—Mo高温固体润滑涂层，

8、并对其从室温到800℃的摩擦磨损性能进行测试，结果发现涂层的摩擦系数稳定在0．4左右，600oC以上摩擦表面生成的钼酸银降低了摩擦系数1171。由于涂层中缺乏耐磨相，涂层的磨损量较大。为了满足航空发动机刷式封严涂层宽温域自润滑耐磨性能