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在航空发动机气路密封配副中使用可刮削封严材料(涂层)可以有效提高发动机效率,降低耗油率,具有明显的经济意义,因此封严涂层可刮削性的有效评价十分重要。目前,在国内的工程实践中,或者采用涂层的机械性能和/或通过常用的摩擦磨损试验进行评价,试验结果的参考价值有限；或者直接进行发动机的台架试车,不仅代价昂贵,而且有效信息少。因此,采用高速/高温刮擦式摩擦磨损试验机,在模拟工况的条件下,对封严涂层的磨损行为和可刮削性进行研究,可填补国内在模拟试验方面的空白,取得的结果对现用封严涂层的国产化和研发新的封严涂层具有参考价值。
本文以火焰喷涂Ni-石墨封严涂层、等离子喷涂铝基封严涂层与钛合金模拟叶片配副为主要试验对象,考察刮擦线速度、入侵速率、刮擦深度、环境温度等试验参数和叶尖外形、叶尖材质、涂层材质等因素对封严涂层的磨损行为和可刮削性的影响,提出了采用多指标综合评价法对封严涂层的可刮削性进行评价,为建立封严涂层的动态力学性能与摩擦学行为之间的关系,进一步在工程中有效评价封严涂层奠定基础。主要研究结果如下:
(1)刮擦线速度增大,由于叶片的磨损量小,涂层与叶片的比磨损量大,涂层的致密化倾向小,摩擦热效应和刮擦能耗小,涂层的可刮削性较好。在本试验条件下,当刮擦时间翻倍时,这种优势更加明显。叶片单位磨程磨损量(磨损率Ⅰ)随刮擦线速度的增大呈先升后降的变化趋势,并且逐渐趋于稳定,并且刮擦深度无关。刮擦线速度对Ni-石墨封严涂层的磨损机理有明显影响:刮擦线速度较低时(Vt=30 m/s),涂层的磨损以涂抹、碾压为主,被涂抹表面光滑、致密,硬化倾向大；刮擦线速度较高时(Vt=150 m/s),涂层的磨损以切削为主,被切削表面较粗糙,硬化倾向小。
(2)刮擦线速度不大于90 m/s时,中入侵速率(Vinc=20μm/s)时涂层的可刮削性较好:刮擦线速度较大时,高入侵速率(Vinc=50μm/s)时涂层的可刮削性较好,而且优势明显。涂层和叶片的单位入侵磨损量(磨损率Ⅱ)随入侵速率的增大呈下降的趋势,其中叶片的磨损率对入侵速率变化较敏感。入侵速率对涂层和叶片的磨损机理没有明显的影响。
(3)刮擦深度增大,由于摩擦热效应和刮擦功耗增大,涂层的可刮削性变差。涂层的单位磨程磨损量(磨损率Ⅰ)随刮擦深度增大无明显变化,叶片的磨损率的变化与刮擦线速度密切相关。在大刮擦深度下(即刮擦时间延长),低线速度刮擦时,封严涂层的致密化、硬化程度增大,涂抹表层容易发生片状剥落；中等线速度时,摩擦热效应明显增大,叶片材料向涂层发生转移,涂层的摩擦氧化程度增大:高线速度刮擦时,涂层和叶片的磨损机理无明显变化。
(4)从室温到150℃提高环境温度时,涂层和叶片的磨损量同时增大,比磨损量减小,环境温度对涂层的可刮削性的影响与刮擦线速度密切相关。值得注意的是当刮擦线速度为150 m/s时,高温时涂层的可刮削性有所下降,同时在叶片磨损端面出现微裂纹,这可能会导致叶片的整体失效。在本试验范围内,改变环境温度,对涂层和叶片的磨损机理无明显影响。
(5)适当减小叶尖宽度会使刮擦时的正应力、切应力增大,涂层容易发生涂抹,致密化倾向增大,但涂层与叶片的粗糙度同时减小,摩擦热效应和刮擦功耗小,涂层的可刮削性得以提高,当刮擦线速度较低时,这种提高比较明显。
(6)强化处理的叶尖对封严涂层的磨损机理无明显影响,但可以显著减小叶片磨损量,提高比磨损量,减小摩擦热效应和降低刮擦功耗,对提高封严涂层的可刮削性有利,对封严涂层的磨损机制无明显影响。但是强化工艺有可能带来新的“隐患”,如硬质层的“脱落”,微裂纹等,故选择强化工艺时需特别注意。
(7)不同材质的封严涂层磨损机理不同,线速度较高时,镍基封严涂层的磨损以切削、涂层向叶片转移为主,金属Ni与Ti形成混合层,但该层容易开裂；铝基封严涂层的磨损以粘着转移为主,形成的转移层可以保护Ti合金叶片,但转移层容易脱落,稳定性不佳。在本文中,AlSi-聚酯涂层的叶片磨损量小,比磨损量大,摩擦热效应、刮擦功耗小,涂层的可刮削性最好:Al-BN-水玻璃涂层的叶片磨损量大,和/或摩擦热效应、刮擦功耗大,涂层的可刮削性较差；Ni-石墨涂层的可刮削性居中。
(8)提出的多指标综合评价方法所选取的七个实验结果:叶片磨损量,涂层与叶片的比磨损量,涂层和叶片的磨后的表面粗糙度,被刮擦去除的涂层的计算密度,涂层背面的温度变化和等效刮擦功,分别代表涂层和叶片的磨损,表面形貌,涂层的致密化倾向,摩擦热效应,刮擦功耗等,以反映封严涂层可刮削性的多个侧面。将相关数据进行整理并制表,按照需要进行排队和归一化处理,最后将各项得分汇总,获得封严涂层可刮削性的综合得分。试验结果表明,多指标综合评价方法不增加试验量,使用简单,结论明确,不失为一种相当有效的用于评价封严涂层可刮削性的手段。
值得指出的是,封严涂层的可刮削性与试验条件密切相关,增大刮擦线速度、减小刮擦深度,适当减小叶片宽度或进行叶尖强化处理都可以使Ni-石墨封严涂层的可刮削性能变好,入侵速率、环境温度对封严涂层可刮削性的影响视具体试验条件而定。