NiCrAl/B.e 封严涂层室温和高温摩擦磨损性能研究
谢旭霞，张鑫，冀晓鹃，彭浩然，任先京
热喷涂技术2011年3月
摘 要：采用热喷涂工艺制备 NiCrAl/B.e 封严涂层，研究了 NiCrAl/B.e 涂层与钛合金对磨时的高温和室温摩擦磨损性能。利用 MRH-3 型滑动磨损试验机测试室温摩擦磨损性能，采用 MMS-1 型销盘式磨损试验机测试涂层在 600℃下的摩擦磨损性能，并通过 SEM 和 EDS 分析了磨损表面和磨屑的形貌及成份。结果表明：室温下 NiCrAl/B.e 涂层的摩擦系数为 0.4 左右；600℃高温下摩擦系数约为室温下的 1/2。NiCrAl/B.e 涂层的磨损机制以磨粒磨损为主，伴随轻微的粘着磨损。涂层中的膨润土润滑相在涂层减摩性能中具有重要作用。
关键词：封严涂层；摩擦磨损性能；NiCrAl/B.e
随着航空技术的日益发展及能源的日渐短缺，要求飞机发动机具有更高的效率[1]。减少压气机、涡轮机叶尖和机匣之间间隙的气路封严技术是提高发动机效率的重要手段。过大的间隙将使气体大量泄漏，导致发动机效率降低，而封严涂层有助于将间隙减小到最低限度，有效提高发动机效率。封严涂层位于发动机和涡轮机的机匣上，所处的位置和功能要求在封严涂层与叶片发生摩擦接触时，涂层被刮削而叶片尖端不磨损，具有良好的减摩性能以降低能耗，磨痕表面光滑平整以减少空气动力损失，摩屑细小以避免对后级叶片造成损伤。
NiCrAl/B.e 涂层是一种高温可磨耗封严涂层，使用温度达 815℃[2]。本文研究了 NiCrAl/B.e 涂层在室温和高温下与钛合金对磨时的摩擦磨损性能，采用滑动磨损法[3]评价可磨耗性能，在 MRH-3 型滑动磨损试验机和 MMS-1 型销盘式磨损试验机上进行室温和高温摩擦磨损试验，测试了摩擦系数、磨损量，并观察分析了磨损表面和磨屑形貌，讨论了摩擦磨损机理。
1 实验
1.1 涂层制备
室 温 摩 擦 磨 损 试 验 采 用 的 基 体 为12.32mm×11.0mm×19.05mm 的 TC4 钛合金，如图 1（a）所示，喷涂面为 11.0mm×19.05mm，相应的摩擦副为对磨环如图 1（b）所示。高温摩擦磨损试验采用的 TC4 基体具体尺寸见图 2（a）的环试样，在图中宽度为 15mm 的外环表面制备涂层，相应的摩擦副为对磨销如图 2（b）所示。
粘结底层和面层材料选用北京矿冶研究总院生产的 NiAl（KF-6）和 NiCrAl/B.e（KF-118）粉末，粒度为-109~+45μm。采用火焰喷涂工艺制备NiCrAl/B.e 涂层， NiAl 底层厚度为 0.1mm ，NiCrAl/B.e 面层厚度为 1.5 mm。
1.2 涂层显微组织和硬度测试
通过线切割将涂层沿剖面切开，采用冷镶法制备金相试样，在 HITACHI S-3500N 扫描电镜下观察涂层组织，并在 600MRD-S 数字显示表面洛氏硬度计上测试 HR 15Y 硬度值。
1.3 摩擦磨损试验
1.3.1 室温摩擦磨损试验
试环-试块滑动磨损试验在 MRH-3 型高速环块磨损试验机上进行，按 GB/T 12444-2006《金属材料 磨损试验方法 试环-试块滑动磨损试验》开展试验。开展磨损试验前先将 NiCrAl/B.e 涂层在 2000#砂纸上打磨处理，并对环和块进行清洗和称重。
考虑到封严涂层质软，选取了低载荷的试验力。本试验选用两组实验参数，1#：试验力 10N，转速 400r/min，时间 5min；2#：试验力 5N，转速400r/min，时间 5min。
1.3.2 高温摩擦磨损试验
高温摩擦磨损试验在 MMS-1G 高温高速销盘磨擦磨损试验机上进行。为了让销弧面与涂层达到完全面面接触，在试验前需进行预磨，以减少试验中由于接触不好带来的误差，预磨后对环和销试样进行清洗和称重。摩擦磨损试验参数为：试验力20N，温度 600℃，转速 12000r/min，时间 5min。采用扫描电镜观察磨损后的试样表面和磨屑，并使用能谱仪分析磨屑元素成份。用乙醇对磨损后的试样进行超声波清洗，然后在精密分析天平上称重。
2 结果与讨论
2.1 涂层显微组织和硬度
采用表面洛氏硬度 15Y 标尺测定 NiCrAl/B.e可磨耗涂层的硬度，涂层厚度不小于 2mm，压头类型为直径 12.7mm 的钢球，测量点之间中心距离不小于压痕直径的 4 倍。硬度的测试位置如图 3(a)中a，b，c 三点所示，测试的硬度值分别为 HR15Y 45.6，HR15Y 50.2，HR15Y 52.4。硬度压痕形貌见图 3(b)，直径约为 500μm。涂层剖面的组织形貌见图 3(c)，涂层包含膨润土相、金属粘结相和孔隙三部分。结合图 3 (b)和图 3(c)可知，硬度压痕区域范围包含了膨润土相、金属粘结相和孔隙。
2.2 室温摩擦磨损性能分析
表 1 分别列出了 NiCrAl/B.e 涂层在室温下10N，5Min，400r/min 和 5N，5min，400r/min 两种试验条件的摩擦系数和磨损量。
在 10N，5min，400r/min 和 5N，5min，400r/min两种试验条件下，NiCrAl/B.e 涂层的摩擦磨损实验过程中，试样平稳运转波动较小，摩擦系数约 0.4，环与块试样均有一定的磨损减重。载荷从 10N 降至5N 时，摩擦系数略有降低，试环和涂层的磨损量约降一半。
图 4 分别为载荷 10N 和 5N，5min，400r/min下室温摩擦磨损试验后的环和块试样实物图，由图可以看到带涂层的块试样上存在一定的磨痕宽度。10N 下的磨痕宽度约 3mm，载荷从 10N 降至 5N 时，磨痕宽度变小，为 2mm 左右。图 5 为 NiCrAl/B.e 涂层和钛合金在 5min，400r/min，载荷分别为 10N 和 5N 条件下对磨环磨损后的表面形貌。NiCrAl/B.e 涂层磨损后的表面宏观上平整光滑，由 SEM 图可知，磨损后的NiCrAl/B.e 涂层和对应的钛合金环表面均存在较浅磨痕，在钛合金环上能发现少量斑状的粘着物。
图 6 分别为载荷 10N 和 5N，5min，400r/min下 NiCrAl/B.e 涂层的磨屑具体形貌。由图可知，10N和 5N 两种试验条件下的磨屑形态基本类似，磨屑为细小颗粒状，粒径为 1~20μm。图 7 为磨屑 EDS 分析图，图 7(A)和(C)成份主要为 O、Al 和 Si 元素，而膨润土主要由氧化铝和氧化硅组成，由此可以推断磨屑中含有膨润土。由图 7(B)可以发现，磨屑中不仅含有涂层中的 Ni、Cr 元素还含有对磨副中的 Ti 元素，可见在室温低速的摩擦磨损试验中，对磨副钛环会发生磨损。结合表 1 和 2，加载力越大，钛合金环磨损量也越大。
2.3 高温摩擦磨损性能分析
表 2 为 NiCrAl/B.e 涂层高温摩擦磨损试验结果，摩擦系数约为 0.2 左右。
图 8 为高温摩擦磨损试验后销试样和对磨环的 实物图，钛合金在 600℃高温下发生了氧化，表面生成了黄色和蓝色的氧化膜见图 8（a）。从图 8（b）可以看出，销试样磨损表面出现了大量槽状磨痕，相对于室温摩擦磨损产生的磨痕更深。根据文献[5]，法向载荷将磨料压入摩擦表面，而滑动时的摩擦力通过磨料的犁沟作用使表面剪切、犁皱和切削产生槽状磨痕。可见，销试样表面具有明显的磨粒磨损特征。文献[6]报道的 NiCrAl/B.e 涂层与 IN- 718对磨时的摩擦磨损性能研究中也发现了类似的槽状磨痕，IN-718 对磨材料发生了一定的磨损。由图8（c）可知 NiCrAl/B.e 涂层磨损后表面较光滑，未出现大块涂层的剥落。图 9 为销试样和对磨环的SEM 照片。磨损表面宏观形貌为槽状犁沟，显微形貌出现了带状粘着物如图 9（a）所示，而从图 9（b）可知在涂层表面存在较浅的磨痕和较多孔隙。
图 10 为 NiCrAl/B.e 涂层高温摩擦磨损后的磨屑形貌和能谱分析图。由图 10 可知， NiCrAl/B.e涂层磨损后的磨屑颗粒直径为 10~100um，较室温摩擦磨损试验中产生的磨屑粗大。摩屑主要包含膨润土、涂层中的金属相以及含有一定量的 Ti，可见钛合金在高温下与较软的封严涂层对磨时，容易发生钛的磨损。
NiCrAl/B.e 涂层属于膨润土(bentonite)系列封严涂层。可磨耗组分膨润土是以蒙脱石为主要成分的黏土岩，而蒙脱石的晶体结构是由两层硅氧四面体片中间夹一层铝(镁)氧八面体片构成的 2:1 型层状硅酸盐，具有相似于石墨的层状结构和润滑性。由图 7 和 10 分析可知，磨屑成份以膨润土为主，与钛合金的粘着力较小，从而起到了降低摩擦系数的效果。涂层的金属相中含有硬度较高的 Ni 元素，在摩擦磨损过程起到磨粒作用，磨损机制以磨粒磨损为主，涂层磨损表面存在磨粒犁削痕迹，产生了颗粒状的磨屑，同时发生了轻微的粘着磨损。
NiCrAl/B.e 涂层在室温和高温下的摩擦磨损机制均以磨粒磨损为主并伴随轻微的粘着磨损。室温下 NiCrAl/B.e 涂层的摩擦系数为 0.4 左右；600℃高温下摩擦系数约为室温下的 1/2。高温下摩擦磨损产生的磨屑较室温下产生的磨屑粗大，高温下摩擦磨损产生的槽状磨痕较室温下产生的磨痕更深。
3 结论
（1）室温下 NiCrAl/B.e 涂层的摩擦系数为 0.4左右，而 600℃高温下摩擦系数约为室温下的 1/2。
（2）NiCrAl/B.e 涂层在 600℃高温下摩擦磨损实验中产生的磨痕较室温下产生的磨痕更深，高温下的磨屑较室温下的磨屑更粗大。
（3）NiCrAl/B.e 涂层中的膨润土具有优异的润滑和减摩作用，NiCrAl/B.e 涂层的磨损机制以磨粒磨损为主，伴随轻微的粘着磨损。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
