铜铝镍石墨可磨耗涂层热稳定性试验研究

时间：2017-07-03 16:40:45 来源：热喷涂技术作者：刘建明，于月光，程旭莹，刘通，章德铭

摘要：采用火焰喷涂方法在 M152 不锈钢基体上制备了铜铝镍石墨可磨耗涂层，对涂层试样进行了静态空气下550℃和 577℃的热稳定性试验，研究分析了涂层的硬度、结合强度和高温高速可磨耗性随保温时间的变化。结果表明：铜铝镍石墨涂层在 550℃和 577℃保温 1000h 后，硬度没有明显变化，结合强度提高了 2 倍以上，涂层与 GH4169 模拟叶片对磨的可磨耗性基本未受影响，IDR<3%，可磨耗性优异，初步分析了涂层热稳定性的影响因素。
关键词：铜铝镍石墨；可磨耗涂层；热稳定性；可磨耗性

    可磨耗涂层广泛应用于航空发动机、燃气轮机和轴流式流体介质压缩机械中^[1]，涂层通过与转子对磨发生主动磨耗，在转子和静子之间形成机械加工难以保证的最小间隙，对转子件形成保护，从而减小间隙泄露，达到气路封严的目的，对于提高机械效率、延长部件寿命等均具有重要意义^[2]。可磨耗涂层通常在高温环境下服役，其在高温下长期工作的稳定性是涂层的一项关键性能^[3]。铜铝镍石墨（CuAl/NiCg）涂层是一种在国内外航空发动机压气机部位均有大量应用的可磨耗封严涂层 ^[4]，目前对于该种涂层的热稳定研究较少。本研究通过静态恒温氧化试验模拟涂层在发动机压气机部位中长期服役的工作环境，测试铜铝镍石墨可磨耗涂层分别在 550℃和 577℃条件下长时间保温过程中，涂层的硬度、结合强度和高温高速可磨耗性的变化规律，研究涂层的热稳定性。

1 试验材料及试验方法

1.1 喷涂材料与涂层制备
    本研究所用涂层材料为北京矿冶研究总院研制的铜铝镍石墨复合粉末，采用 Metco 6P Ⅱ型火焰喷涂系统制备涂层，基体材料为 M152 不锈钢。图 1 给出了铜铝镍石墨复合粉末的形貌照片，该粉末材料由球形的铜铝（CuAl）合金粉颗粒和片状镍包石墨（NiCg）颗粒组成。
    喷涂前对基体表面进行脱油净化和喷砂粗糙化处理，本文选用粒度为 380μm 的棕刚玉，采用射吸式喷砂机，压力在 0.52～0.69MPa。喷砂过程中，磨料的喷射方向与工作面的法线之间夹角取15度，喷砂咀距离工件的距离大约为200mm。采用 GTV F6 等离子喷涂系统在预处理后的基体表面喷涂 Ni/Al（牌号：KF-6）复合粉制备底层，厚度约为 0.15mm。采用 Metco 6P Ⅱ型火焰喷涂系统喷涂铜铝镍石墨复合粉末，喷涂工艺参数如表 1 所示，厚度约为 2mm。
1.2 静态恒温氧化试验
    为了研究在不同服役时间条件后涂层的热稳定性，将制备的 CuAl/NiCg 涂层置于 SX-12-10型箱式电阻炉中，分别进行静态空气下 550℃和577℃的恒温氧化试验，试验时间 1000h，对不同保温时间后涂层的硬度、结合强度和高温高速可磨耗性进行测试分析。
1.3 涂层性能测试
    涂层硬度测量在MODEL600MRD-S 型洛氏硬度仪上按照 HB5486 进行，硬度标尺为 HR15Y，测试前对涂层表面进行 80# 砂纸打磨平整。涂层的结合强度采用粘结拉伸法测试。将磨平后的试样与预喷砂的对接件采用FM-1000 高温胶片粘结，在 190℃、保温 2h 的条件下固化；在 WDW-100A型微机控制电子式万能试验机上进行测试。每组实验均采取 3 个试样进行测试，取其平均值作为最终结果。
    涂层可磨耗性能检测选用北京矿冶研究总院研制的 BKY-HVT300/800 型高温超高速可磨耗试验机，其轮盘转速最高为 15000RPM，线速度达到 350m/s，进给速率为 5 ～ 500μm/s，最高试验温度可达 800℃。本研究选取的试验条件为：温度分别为 550℃和 577℃、线速度为 300m/s、进给速率为 50μm/s、进给深度 500μm，对不同热稳定时间的 CuAl/NiCg 涂层和 GH4169 模拟叶片（叶尖厚度0.7mm）进行高温高速可磨耗性试验。采用进给深度比 IDR（Incursion Depth Ratio）对涂层的可磨耗性进行定量评价^[5]，IDR 的定义为试验前后叶片高度变化与总进给深度的比值，当叶片发生磨损时其值为正，当涂层粘附叶片时其值为负。

2 试验结果与讨论
    图 2 为铜铝镍石墨涂层在 550℃和 577℃高温下静态恒温氧化 1000h 过程中涂层的硬度、结合强度和 IDR 值变化曲线图。可以看出，涂层在550℃和 577℃保温 1000h，涂层性能的变化趋势基本相同，均在保温 50h 内出现硬度随时间的增加先降低后升高的规律，随时间的进一步延长涂层硬度趋于稳定，并且经过 550℃保温 1000h 后涂层的硬度值与初始硬度相当，而在 577℃保温1000h 后涂层的硬度值甚至低于初始硬度；涂层结合强度则呈现出随时间增加而升高、然后趋于稳定的规律；IDR 值的变化规律与涂层硬度一致，在保温初期略有升高，随后降低并趋于稳定。从热稳定 1000h 后的结果可以看出，涂层硬度与初始状态相比没有明显变化，但是涂层的结合强度则提高了 2 倍以上。涂层的可磨耗性在两个试验温度下均未受影响，IDR 值在 3% 以下，表现出优异的可磨耗性。
    图 3 为铜铝镍石墨涂层在初始状态（0h），以及 550℃高温静态恒温氧化 500h、1000h 后，涂层在与 GH4169 模拟叶片在 550℃、线速度为300m/s、进给速率为 50μm/s、进给深度 500μm条件下对磨，涂层与叶片的外观照片。可以看出，3 个状态下涂层刮痕均呈现形状规则、叶片叶尖无可见磨损，表明涂层在 550℃高温下长期时效后涂层能够保持优异的可磨耗性；热稳定 500h 后涂层刮痕形貌与初始状态基本相当，热稳定 1000h 涂层刮痕表面出现轻微锯齿状形貌，对应的叶片叶尖上有局部的点状粘附，表明涂层在550℃长时间时效后有粘附叶片的倾向。
    图 4 为铜铝镍石墨涂层在初始状态（0h），以及 577℃高温静态恒温氧化 500h、1000h 后，涂层在与 GH4169 模拟叶片在 577℃、线速度为300m/s、进给速率为 50μm/s、进给深度 500μm条件下对磨，涂层与叶片的外观照片。可以看出，涂层在 577℃下的可磨耗性基本与 550℃下的测试结果相当，涂层刮痕均呈现形状规则、叶片叶尖无可见磨损，热稳定 1000h 涂层刮痕表面出现轻微锯齿状形貌，对应的叶片叶尖上有局部的点状粘附。
    一般而言对于可磨耗涂层，在高温环境下长期服役中由于受到氧化、烧结等影响，涂层的孔隙率降低、硬度会出现随保温时间延长不断升高的现象，进而影响到涂层的可磨耗性。但是对于铜铝镍石墨涂层，由试验结果可知，在 550℃和577℃两个温度条件下，长时间保温整个过程中涂层硬度均与初始硬度相当甚至更低，这在高温可磨耗涂层中较为特殊。涂层的硬度主要取决于涂层组织结构和涂层各组分的本征硬度，铜铝镍石墨涂层为多孔结构，其组分包括铜铝合金、镍金属和石墨等。铜铝合金和镍金属在 577℃以下其相结构和组织比较稳定，仅存在一定程度的氧化，该氧化作用一般会引起涂层硬度的升高；由涂层结合强度随保温时间的延长不断升高的变化规律分析，铜铝镍石墨涂层在保温过程中应该存在烧结作用，该作用将导致涂层中孔隙率的降低。由此可见，构成涂层骨架的铜铝合金和镍金属均在高温长时间保温过程中起到降低涂层孔隙率、增加涂层硬度的作用，因此涂层组分中应该存在使涂层硬度降低的因素。
    试验所用铜铝镍石墨粉末中的石墨原料是天然矿物质，其组成较为复杂，在 550℃～ 577℃范围内可能存在一些易分解的物质^[6]，石墨本身也可能存在氧化现象，这些因素都会导致涂层中石墨组分的减少和孔隙率的增大，使得石墨组分成为在高温保温过程中降低涂层硬度的影响因素。分析认为，正是由于铜铝镍石墨涂层在高温保温过程中，骨架组分和石墨组分对涂层的组织和硬度存在相互竞争的影响机制，使得涂层在高温长时间保温后仍然能够保持优异的可磨耗性。关于涂层组织和成分在长时间保温过程中的变化还需要进一步的试验验证与分析研究。

3 结论

    （1）铜铝镍石墨可磨耗涂层在 550 ℃和577℃保温过程中，随保温时间的增加，涂层硬度出现先降低后升高、最后趋于稳定的规律，并且保温后涂层的硬度不高于初始状态；涂层的结合强度则呈现出随时间增加而升高然后趋于稳定， 1000h 后结合强度提高了 2 倍以上；IDR 值的变化规律与涂层硬度一致，在保温初期略有升高，随后降低及趋于稳定。
    （2）在550℃和577℃保温1000h 的不同阶段，铜铝镍石墨涂层与 GH4169 模拟叶片高温高速对磨的 IDR 值均低于 3%，表现出优异的可磨耗性和良好的热稳定性。随保温时间的延长，涂层存在轻微的粘附叶片倾向。
    （3）铜铝镍石墨涂层在高温保温过程中，其涂层骨架组分和石墨组分对涂层的组织和硬度存在相互竞争的影响机制，使得涂层在长时间高温保温后仍然能够保持优异的可磨耗性。

参考文献

[1]Rhys-Jones T N. The use of Thermally Sprayed Coatings for Compressor and Turbine Applications in Aero engines[J].Surface and Coatings Technology，1990，42：1-11.
[2]Nava Y[M].ASM Int. Materials Park，Ohio，2001：263-268．
[3] 章德铭，任先京，腾佰秋，等 . 可磨耗封严涂层性能评价技术研究进展 [J]. 热喷涂技术，2009，1（2）：19-22.
[4] 于月光，侯伟骜，尹春雷，等 . 可磨封严涂层材料喷涂过程中石墨含量变化研 [J]. 热喷涂技术，2009，1（1）： 20-24.
[5]Schmid R. New high temperature abradables for gas turbines[D].Swiss Federal Institute of Technology，1997. [6]Pradyot Patnaik． Hand book of Inorganic Chemical Compounds[M].McGraw-Hill，2003：119.

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