高温封严涂层材料的基本性能研究与评价
程旭东,高忠宝,李其连,肖巍,闵捷
表面技术
[摘 要] 为了提高飞机发动机用封严涂层的使用温度,适应发动机的迅猛发展,对能够在高温条件下使用的封严涂层材料进行了研究,自行设计制备了可磨耗封严涂层团聚粉末材料,使用等离子喷涂工艺成功制备了P7268涂层,随后对研制的在1 000℃以上环境使用的高温封严涂层P7268的基本性能进行探讨,并对涂层在1 000℃的高温稳定性和1 000℃~室温抗热震性能进行了试验。测试发现, P7268涂层在所测试温度具有良好的高温稳定性,具有较小的硬度变化,并且涂层的抗热震性能可以达到耐冷热循环50次。
[关键词] 高温;可磨耗封严涂层;硬度;结合强度;热震
0 引 言
在飞机发动机涡轮外环制备封严涂层是提高发动机效率的有效手段。随着发动机工作温度的升高,对满足高温新环境下使用而不失效的配套涂层的需求更为强烈。发动机的工作温度已达1 000℃以上[1-2],对新的涂层的高温热疲劳性能和组织结构稳定性是极大的挑战。目前,国内对该高温段的封严涂层研究较少。本文利用复合陶瓷的高温综合性能优势,通过一定的材料组分设计,研制出一种新型高温封严涂层,并且进行了1 000℃、10h的热稳定性试验以及1 000℃~室温空气强制冷却的热循环试验,对试验后的涂层性能进行了相关的评价,初步得出结论:制备的新型高温涂层在一定程度上具备现有涂层所不具有的特点。
1 试 验
本试验设计研制的高温封严涂层材料是采用粒度为20~60nm的Y2O3部分稳定的ZrO2粉末为基相材料,添加一定量微米级h-BN(六方氮化硼)和聚合物作为填充材料,制成适合于等离子喷涂用的团聚球形纳米氧化锆基复合粉。基体试样为1Cr18Ni9Ti不锈钢,经表面粗化处理后,采用等离子喷涂(APS)工艺在其上制得≥1. 0mm厚的纳米ZrO2基封严涂层P7268。
2 结果与讨论
2.1 涂层高温稳定性测试
取若干P7268涂层试样,测量表面洛氏硬度的平均值(HR45y),然后置于高温炉中,升温至1 000℃,并在该温度保温10h,取出空冷,观察表面状况,并再次测量表面洛氏硬度平均值。试验后试样表面未见明显裂纹、剥离等破坏。采用TIME公司TH310表面洛氏硬度计测量硬度,数据如表1所示。对比1 000℃、10h热稳定性试验后的涂层试样硬度,发现处理后的涂层硬度整体上有所提高,硬度变化范围在+2~+8之间。这种变化是由于涂层在长时间高温加热时,组织中的聚合物全部气化,所占的体积成气孔,而含有气孔的组织逐渐烧结收缩致密化所致。该种涂层较之现有一般纳米氧化锆热障涂层硬度的变化范围较小,其原因是:由于高温加热后,涂层内部的h-BN软相和收缩后残留的孔隙依然存在,它们对基相纳米氧化锆组织的均匀分割[3],如图1所示,该涂层的蜂窝结构降低了涂层的机械完整性[4],起到一定的阻隔作用,有效地阻止了涂层基相骨架的致密化趋势。
采用FM-10KN拉力试验机对高温试验后的试样进行结合强度测试,结果如表2所示。
由于涂层在成分组成方面配比不同,导致相同工艺参数制备出来的涂层的结合强度有较大的不同,但是除了4#涂层以外,其它涂层的结合强度均在5MPa以上,较之现有传统封严涂层的结合强度(3~5MPa)[5]也具有较大的优势,分析原因认为:传统封严涂层由于原料粒径大(微米级),比表面积小,在涂层中难于形成连续的基相组织,涂层存在大量的断层,是导致宏观涂层结合力低的主要原因,而喷涂工艺中的大送粉速率所形成遮蔽现象则是涂层结合力低的另一原因[5]。特别需要指出的是,涂层中软相组分的加入和密布孔隙的引入对缓解涂层内部由于高温导致的热应力有很大的帮助[6]。依据初步试验,综合涂层在高温试验后的硬度变化和结合强度两个方面,可知涂层在1 000℃的环境中有较强的稳定性。
2. 2 P7268涂层的耐热震性能
将P7268涂层试样放入预先升温至1 000℃的高温炉中,保温15min,取出采用压缩空气在2min内强制风冷至室温,如此循环直至涂层出现翘起、剥离等破坏情况。涂层的热震循环试验结果如表3所示。
由表3中数据可看出, P7268涂层在1 000℃~室温之间反复循环次数可达50次。从P7268涂层组分和结构的不同方面来探究原因,耐热震能力一方面与涂层采用耐高温陶瓷材料作为基相有关,能够很好地抵抗高温环境的热腐蚀,保证涂层的骨架不至于在高温下失效,为整个涂层的耐冷热循环提供了前提。另一方面,涂层中软相的加入使涂层在热震情况下的内部应力有所释放,降低涂层的机械完整性,阻止涂层内部微裂纹的扩展导致整个涂层的崩裂。造孔组分的加入使涂层在制备过程中产生密布的孔隙,密布微孔有效降低涂层的弹性模量,缓解热应力,使涂层热导率下降,对涂层的抗热震能力也有较大的贡献。
3 结 论
研制的在≥1 000℃环境中使用的P7268涂层材料,从已有测试来看, P7268涂层属纳米ZrO2基相中弥散分布高温润滑软组织h-BN和造孔聚合物形成的类似蜂窝结构的高温封严涂层。涂层与基体的结合强度较传统涂层有较大的提高,特别是在1 000℃环境中的热稳定性和1 000℃~室温的抗热震性能试验方面获得一定的成功。为高温封严涂层的进一步研究提供了可行性依据。
参考文献略
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