可磨耗封严涂层评述.pdf

- 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 可磨耗封严涂层评述 尹春雷，贾贤赏，杨成斌，谢建刚 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要可磨耗封严涂层是一种重要的热喷涂涂层，广泛应用于飞机发动机，对提高发动机效率、降低油耗 进而提升发动机整俸性能具有重要意义。本文介绍了可蘑耗封严涂层材料的主要种类及其发展趋势， 阐述了可磨耗封严涂层性能评价方法。 关键词可磨耗；封严；涂层；热喷涂 中围分娄号T G l 7 4 ．2 文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 S 0 0 0 4 4 0 3 AR e v i e wo fA b r a d a b l eS e a lC o a t i n g s Y I NC h u n l e i ，J I AX i a n s h a n g ，Y A N GC h e n g - b i n ，X I EJ i a n - g a n g A b s t r a c t A b r a d a b l es e a lc o a t i n g s ，as p e c i a l l yd e s i g n e dc l a s s o fm a t e r i a l su s e dt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c ya n dr e - d u c ef u e lc o n s u m p t i o ni na e r oe n g i n e sb r o a d l y ，a r eas i g n i f i c a n tk i n do ft h e r m a ls p r a y e dc o a t i n g s ．I nt h ep r e s e n t p a p e r ，t h em a ／nv a r i e t i e sa n dd e v e l o p i n gt e n d e n c yo fa b r a d a b l es e a lm a t e r i a i sw e r es u m m a r i z e d ，a n dn l e B s u r e m e t h o d so fp r o p e r t i e sw e r ei n t r o d u c e d ． K e y w o r d s A b r a d a b l e ；S e a l ；C o a t i n g ；T h e r m a ls p r a y i n g 大推力、高效率、低油耗是航空发动机设计和制 造的总体目标．为此应尽量提高涡轮机进口气体温 度．减小转子与静子部件之间的间隙⋯。当结构与 材料一定时。提高涡轮机进口气体温度是有限的，因 而减小压气机、涡轮机叶尖与机匣之问问隙的气路 封严技术就成为提高发动机性能的重要手段。在发 动机的制造和运行过程中，由于 1 发动机组件的 热膨胀及轴的热变形； 2 转子高速旋转．离心力引 起的叶片伸长； 3 零件加工的公差及发动机装配的 偏差； 4 发动机加速、减速和飞机着陆等引起的振 动及零部件因振动引起的位移等原因，实际上无法 使间隙控制为零【2J 。因此，航空发动机设计和制造 时在叶尖与机匣之间要预留一定的间隙。封严材料 有助于将间隙减小到最低限度。热喷涂可磨耗封严 涂层由于其生产工艺简便，维护和性能调整简易，封 严效果好。不稳定现象少等优点而得到广泛应用。 作者简介尹謇霄 1 9 7 7 一 ．男，期北秭归人，硬士 封严材料位于发动机的压气机和涡轮机的机匣 上，所处的位置和功能决定了要在较高温度和高速 气流冲刷的恶劣条件下工作。理想的封严涂层应既 有足够的强度抵抗外部颗粒及气流的冲蚀，又可被 刮削，在叶片与涂层发生摩擦接触时，涂层被刮削而 叶片尖端不磨损。涂层不脱落，同时缩小气路间隙。 减少气体泄漏，以提高发动机的工作效率。因此，要 求可磨耗封严材料必须具备下列性能可磨耗性、抗 冲蚀性、结合强度和抗热震性。其他性能如低的摩擦 系数、抗粘着性、高的化学稳定性、高的整体强度 等㈨。 1 可磨耗封严涂层材料 可磨耗封严涂层材料种类较多，以粉体材料为 主。另有少数品种的棒材。为了满足航空发动机对 封严涂层既可磨耗又抗冲蚀的性能要求，通常封严 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 4 5 - 涂层材料由金属材料和非金属材料两类材料复合而 成，其中金属材料提供可喷涂性、结构强度和抗冲蚀 性。如镍、铜、铬、铝等及其合金；非金属材料提供可 磨耗性．通常具有自润滑性能，如聚苯酯、石墨、硅藻 土、膨润土、六方氮化硼等；复合方法有化学包 抗冲蚀性是封严涂层最重要又相互矛盾的要求。协 调和解决这一对矛盾是封严涂层研究、设计和制造 的关键。常见可磨耗封严材料详见表1 。随着发动 机工作温度的提高，研究和开发高温封严涂层已成 为封严涂层研究的重点．多元复合氧化锆是研究热 覆【4 - “ 、物理团聚[ 6 】、机械混合[ 7 1 等。可磨耗性和 点之一[ 8 1 ”。 袤1 常见可磨耗封严材料 T a b l e1 T h ec o n v e n t i o n a la b r a d a b l es e a lc o a t i n g s 2 可磨耗封严涂层评价 可磨耗封严涂层评价包含涂层使用情况和涂层 性能两个方面，涂层使用情况包括可磨耗性、抗冲蚀 性和氧化寿命，涂层性能包括结合强度、硬度、孔隙 率、热震、耐腐蚀性等。 2 ．I 可磨耗性评价 可磨耗性目前尚无标准的试验方法，评价方法 大多是定性的。早期曾用拉伸强度和硬度来考核， 认为拉伸强度和硬度低，可磨耗性就好。评价的主 要方法有 1 划痕法。用划针在一定载荷作用下划过涂 层导致的重量损失来表征可磨耗性．重量损失越大 可磨耗性越好。 2 划痕硬度法。一定形状的压头在一定载荷 作用下在涂层表面产生划痕．用与划痕宽度有关的 划痕硬度表征可磨耗性。 划痕法和划痕硬度法是比较简单的定性评价方 法．但与工况差距甚远。 3 车削法。用特定材质刀片切削喷有可磨耗 涂层的棒材，以切削一定深度所需的时闭来表征可 磨耗性。此法模拟了静态部件与转子的相对运动形 式，但实际工况并非连续切削。 ， 4 滑动磨损法。在一定磨损条件下用测得的 磨损率来表征可磨耗性。此法与实际工况较为接 近。试验可给出摩擦系数、磨损量等定量结果，并可 对磨损形貌和机理进行分析。 5 刮削功法。采用冲击式刮削试验机，测定刮 削封严涂层所消耗的功。用刮削功评价可磨耗性．认 为刮削功越小，可磨耗性越好。 6 台架试验法。模拟发动机内叶片对封严材 料刮削磨损过程。其装置称为可磨耗试验机。在规 定的进刀速度下对涂层进行刮削，通过测量和计算 磨耗量及摩擦功来评价涂层的可磨耗性，市售可磨 耗试验机其叶尖线速度为1 5 0 ～5 0 0m ／s ，切削涂层 速度为1 ．5 ～30 0 0p m ／s ，试样可加热到i2 0 0 ℃。 当转盘叶尖速度和试样温度达到所要求的值时，对 试样进行切削．当切削到一定深度后快速暹出。试 万方数据 4 6有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年增刊 验过程中可记录切削力，试验后测量叶片和涂层重 量变化以及被磨涂层的表面粗糙度，考察磨损机理。 综合考核可磨耗性。 2 ．2 抗冲蚀性评价 抗冲蚀性评价目前也无标准方法。常用的是一 种气体一固体粒子冲蚀装置。用夹带驰0 3 或s i q 砂粒的压缩空气以一定速度、一定角度冲击喷有可 磨耗涂层的样片，测试涂层失重及冲蚀后形貌。采 用热冲蚀磨损试验可以更好地模拟发动机的工作环 境，与飞机发动机封严涂层的冲蚀相似。 2 ．3 其他性能评价 ‘ 氧化寿命可采用静态加速热氧化法测试，可参 照G B ／T1 3 3 0 3 1 9 9 1 标准进行；结合强度可采用 A S T MC 6 3 3 7 9 或者G B ／T8 6 4 2 2 0 0 2 标准测 试；封严涂层测试表面洛氏硬度 H R ，大多采用 1 5 Y 标尺。氧化锆封严涂层用4 5 Y 标尺；孔隙率采 用图像分析的方法测试，通过计算涂层图片中不同 灰度区域的面积所占图片面积比侧得到孔隙率；热 震性能测试将涂层样片在指定高温与低温之间反复 切换．记录涂层出现裂纹时的切换次数，可参照 G B ／r1 6 5 3 6 1 9 9 6 标准测试，耐腐蚀性可采用 A S T MG 7 6 标准测试。 3 结论 可磨耗封严涂层作为热喷涂领域的一类重要涂 层，在发动机上得到广泛应用。几十年来国内外开 发出一系列适用于不同部件、不同温度的可磨耗封 严材料，对可磨耗封严涂层的评价手段也日臻完善。 但是在以下方面还有很多工作需要开展 1 研究和开发高温封严涂层材料； 2 优化模拟发动机工况的可磨耗性和抗冲蚀 性等性能检测的试验方法； 3 对涂层成分、喷涂工艺以及相关的基础理 论进行系统研究，探索其相互之间的关系，根据工况 要求设计相应的涂层材料及制备工艺。 参考文献 [ 1 ] 郝兵，李成刚．表面涂层技术在航空发动机上的应用 [ J ] ．航空发动机，2 0 0 4 ，3 0 4 3 8 4 0 ． [ 2 ] 易茂中．张先龙，郑济宏，等．可磨耗封严涂层及其性能 评价[ J ] ．航空工艺技术，1 9 9 8 3 3 5 ． 【3 ] B o b z i aK ，L u g a c h d d e r E ，Z w i e kJ ，e ta 1 ．M i c r o a t r u e t u r e a n dP r o p e r t i e so fN e wA b r a d a b a I eS e a lC o a t i n g sf o rC o m - p r ∞a o rA p p l i e a t i o n s [ A ] ／／．P r o c e e d i n g so ft h e2 0 0 6I n t e x - n a t i o n a lT h e r m a lS p r a yC o t d e m n c e [ c ] ，S e a t t l e 。W a s h i n g t o n ，U S A ，2 0 0 6 ． [ 4 ] 梁焕珍。毛铭华．水热加压氢还原制取镲包石墨[ J ] ．化 工冶金，1 9 9 6 ，1 7 2 1 1 1 1 1 6 ． [ 5 】S h e r r h tG o r d o nM i n e sL i m i t e d ．C o m p m i t eP o w d e r a S p r a y a b [ et oF o r mA h r a d a b l eS e a lC o a t i n g s U S ．4 2 9 1 0 8 9 [ P ] ．1 9 8 1 9 2 2 ． 【6 】北京矿冶研究总院．超微或纳米铝粉包覆的铝包镍复合 粉末j 中国，0 2 1 0 0 5 8 8 ．5 【P ] ．2 0 0 3 8 2 0 ． [ 7 ] H a r o l dE ，S l i n e y ．C o a t i n g s ／o rH i g h T e m p e r a t u r eB e a t - i n g sa n dS e a t s [ O L ] ．h t t p ／／n t m ．I m ．g o v ／a r e h i v e ／n a s a ／ e a s i ．n t r s ，n a s a ．g a y ／1 9 8 8 0 0 0 4 0 7 1 - 1 9 8 8 0 0 4 0 7 1 ．p d f [ 8 ] G e n e r a lM o t o r sC o r p o r a t i o n ．A b r a d a b l eC e r a m i cS e a la n d M e t h o do fM a k i n gS a m e U S ，4 2 6 9 9 0 3 【P ] ．1 9 8 1 5 2 6 ． [ 9 ] N o v i r L s k lE ，H a r f i n g t o nJ ．K l e i n ，J ．M o d i f i e dZ i r m n i a A b r a d a h | eS e a lC o a t i n ghH i g hT e m p e r a t u r eG a sT u r b i n e A p p l i e a t l o n a [ J ] ．T h i aS o l i dF i I r a a ，1 9 8 2 ，9 5 3 2 5 5 2 6 3 ． C 1 0 ] L i m aRS ，M a r p l eBR ，D a d o u e h eA ，e ta 1 ．N a n m t m e - t u r e dA b r a d a b l eC o a t i n g sh rH i g hT e m p e r a r u r eA p p l i c a - t i o n a [ A ] ／／．P r o c e e d i n g so ft h e2 0 0 6I n t e r n a t i o n a lT h e r m a l S p r a yC o n f e r e a c e [ C ] ．S e a t t l e 。w a s h i n g t o u ，U S A ，2 0 0 6 ． 万方数据