超音速等离子喷涂沉积可磨耗封严涂层研究

吴秀英，韩志海，赵玉良，白 宇

(1.陕西工业技术研究院，陕西 西安 710054;2.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，陕西 西安 710049;3.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032)

0 前言

在透平机械中，间隙密封的可靠性对于压缩机或鼓风机机组的安全、高效运行及节能环保具有重要意义。目前，先进机组正在向大容量、高效率、高压缩比，以及在特殊介质 (如工业煤气、硫化氢、硝酸、醋酸、氢溴酸等)应用的方向发展。在传统的级间迷宫式密封技术中，高流速的腐蚀介质及硬质颗粒会造成密封面的磨损腐蚀，导致间隙变大、损耗增加及机组效率降低，严重时必须停机检修，影响安全生产。目前改进的方案是在轴端采用干气密封、碳环密封或蜂窝密封等，但这些材料成本高昂，应用受到限制，难以大范围推广应用。

自上世纪80年代以来，随着航空工业的迅速发展，对航空发动机性能提出了越来越高的要求。大推力、高效率、低油耗已成为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，减少转子与静子部件之间的间隙，提高压缩比。当结构与材料已经确定时，减少压气机、涡轮机叶尖与机匣之间气隙损耗，提高间隙和轴密封技术水平，已成为提高发动机性能的重要手段。采用热喷涂技术在间隙处制备可磨耗封严涂层由于其生产工艺简便，修复和性能调整简易，封严效果好，并为机匣提供绝热保护，减少高温、高速燃气引起的扰动或喘振等不稳定现象而得到迅速发展［1-2］。

目前用于航空发动机上的可磨耗封严涂层大致有20多种，大多由各种金属基材料 (Al基、Cu基、Ni基、Co基等)加不同比例的各种固体润滑剂 (如石墨、氮化硼、高分子材料等)构成［3-5］。按使用部件的温度区分，可分为低温类(325℃以下)、中温类 (325～480℃)和高温类(480～815℃)三类。按材料组成，低温类封严涂层通常由铝基合金 (如Al-Si合金)与一定比例的自润滑高分子材料 (如聚酯、聚酰亚铵等)组成;中温类由铝基合金 (Al-Si)、镍基合金(Ni、NiCrAl等)与石墨或氮化硼组成;高温类则由Ni基、Co基 (CoNiCrAlY)、Cu基 (CuAl-Fe，铝青铜)合金与高温润滑剂 (硅藻土、氮化硼等)组成。这类涂层一个共同的特点就是要求涂层不能太硬 (通常可通过调整软性固体润滑剂的比例或涂层的孔隙率来控制表面洛氏硬度)，并具有良好的自润滑性能。当密封偶件的韧尖刮削封严涂层时的冲力和摩擦力较小，并尽可能不刮伤工件，即具有好的可磨耗性;另一方面可磨耗涂层还必须保证一定的硬度，能抵抗间隙流道中高速气流 (通常含有一些固体粒子)的冲蚀磨损，即要求有好的抗冲性能。因此，对可磨耗封严涂层而言，其可磨耗性和抗冲性是一对重要而又互相矛盾的性能，只有针对具体工况，在材料设计、工艺优化、涂层性能考核评价等方面进行综合试验研究，才能找出最佳点，保证涂层既有好的可磨耗性，又有足够的抗冲蚀性和工作寿命。要实现上述目标，需要从新工艺、新方法入手，研究沉积组织结构细密的新型可磨耗封严涂层。

最新的超音速等离子喷涂 (Supersonic atmospheric plasma spraying，SAPS)技术由于射流速度大幅提高，使得喷涂原料粒子飞行速度超过音速，比普通等离子喷涂提高1～2倍以上，从而获得的细密柱晶片层组织的特点［6-8］。因此，本文采用超音速等离子沉积Ni-C及NiCr-BN可磨耗封严涂层，对比研究两种涂层的结合强度、表面硬度及在不同冲蚀角下的冲蚀磨损性能。

1 实验过程

1.1 实验原料

用于喷涂的两种原料粉末均由Sulzer Metco公司生产，分别为Ni-C粉末及NiCr-BN粉末，两种粉末的外观形貌如图1所示。

图1 原料粉末的外观形貌Fig.1 Appearance of raw material powder

1.2 喷涂过程

基体为2Cr13不锈钢，试样尺寸为40 mm×60 mm×3 mm，喷涂前采用丙酮去除试样表面的油污、采用20目金刚砂，用无油、干燥的0.6 MPa的压缩空气对基体金属表面进行喷砂处理，以去除基体表面的氧化层及增加涂层与基体的有效结合面积、提高涂层的结合强度。采用HEPJet-II型超音速等离子喷涂系统沉积涂层，具体的喷涂参数如表1所示。

表1 超音速等离子喷涂工艺参数Tab.1 Process parameters of supersonic atmospheric plasma spraying

1.3 结合强度及表面硬度

采用拉伸法测量涂层的结合强度，仪器为万能材料拉伸试验机 (Instron1196，USA)，测试过程中参照ASTM C633-79标准，所用粘接剂为固体胶膜 (FM-1000，USA)，其拉伸强度在60 MPa以上。此外，实验中按照ASTM E18标准测定涂层的表面洛氏硬度。

1.4 冲蚀实验

冲蚀磨损实验原理示意图如图2所示。其中，选用标称尺寸100目 (150 μm)的棕刚玉为磨料。实验过程中，通入一定流量及压力的清洁压缩空气在加速腔中形成负压，从腔外吸入磨料用以冲击试板，磨料的用量可以通过入砂口调节。砂粒进入腔体后被压缩空气加速后以一定角度冲击试样表面，引起试样表面的冲蚀磨损，通过精度为万分之一克的电子天平测量冲蚀前后试样的失重量，以此评价涂层的抗冲蚀磨损性能。冲蚀角度为30°及90°，实验参数如表2所示。需要注意冲蚀磨损开始有一段跑合阶段，在进入稳定冲蚀磨损阶段后，开始记录磨料的使用量。每次用砂量为20 g，每种涂层均测量两片试样，每次冲蚀后记录平均失重，重复冲蚀五次，获得5个数据点的冲蚀磨损曲线。用单位质量磨料所对应磨损失重量来评价试样的耐冲蚀磨损性能。在相同实验条件下，失重量越小，说明被测试样品的耐冲蚀磨损性能越高。

图2 冲蚀磨损实验原理示意图Fig.2 Principle diagram of erosion wear experiment

表2 冲蚀磨损试验参数Tab.2 Parameters of erosion wear experiment

2 实验结果及讨论

采用图1所示的原料粉末，超音速等离子喷涂沉积涂层的剖面SEM图像如图3所示。从图3可以看出，两种涂层中的润滑相 (石墨或BN)均匀分布在金属连续相之中，但与Ni-C涂层相比，NiCr-BN涂层中的润滑相尺寸更为细小。

图3 喷涂涂层的剖面SEM图像Fig.3 SEM images of spraying coating cross-section

涂层的结合强度及表面硬度如表3所示，从表3可以发现，NiCr-BN的结合强度及表面硬度均高于Ni-C涂层，这主要是由于Ni-C涂层中的石墨润滑相较为粗大，降低了金属连续相之间有效的结合面积，使涂层整体结合强度及表面硬度值下降。

表3 涂层的结合强度及表面硬度Tab.3 Bonding strength and surface hardness of spraying coatings

图4所示的是两种涂层在不同落砂量下的冲蚀磨损失重量，从该图可以看出，两种涂层的冲蚀失重量随落砂量的增加而线性提高，并且无论是Ni－C涂层还是NiCr－BN涂层，当冲蚀角度由30°增加到90°后，其冲蚀磨损失重量明显提高。图4中曲线的斜率反映的是涂层的相对冲蚀速率 (每克砂粒对应下的涂层冲蚀损失量)，通过计算，两种涂层不同冲蚀角下的相对冲蚀速率如图5所示。从图5可以发现，Ni－C涂层在不同冲蚀角下，其相对冲蚀速率与NiCr-BN涂层相比较高。例如，30°下Ni－C涂层的相对冲蚀速率为7.81×10－4而 NiCr－BN涂层为4.21×10－4，后者为前者的54%;90°下Ni－C涂层的相对冲蚀速率为1.14×10－3而NiCr－BN涂层为5.72×10－4，后者为前者的50%。由此可见，在目前的研究范围内，NiCr－BN涂层的抗冲蚀性能要优于Ni－C涂层。前期的一些研究表明，对于金属陶瓷复合涂层在低冲蚀角度 (30°)时，涂层的冲蚀磨损主要表现为微观切削，犁沟变形和微观疲劳剥落等特征，而在高冲蚀角度(90°)时，则主要表现为冲蚀磨粒对涂层的锤击效应引起的疲劳剥落特征［9］。此外，一些研究表明，涂层冲蚀磨损较大的质量是由粒子冲击压痕内材料的低周疲劳引起的，认为磨粒 (砂粒)对涂层的微切削和犁沟变形作用主要是由于磨粒的切向分速度引起的，而锤击效应则是由垂直分速度引起的［10］。微观切削和犁沟变形对塑性材料的破坏较大，而锤击效应对脆性材料破坏更大。因此随着冲蚀角度的变化，粒子对涂层的微观切削作用和锤击效应的比例也会改变，涂层的冲蚀机理也随之改变。封严涂层中既有塑韧性较好的金属连续相，也有硬度较低的润滑相，因而涂层的抗冲蚀性能取决于这两相的共同作用。NiCr－BN涂层由于具有较高的结合强度及硬度，因此其抗冲蚀性能要优于Ni－C涂层。由于超音速等离子喷涂可在较大范围内调节喷涂工艺参数，因此完全可以对Ni－C及NiCr－BN涂层进行结构优化，以期得到抗冲蚀性能更加良好的封严涂层，这将是以后研究的重点。

3 结论

本文采用超音速等离子喷涂沉积Ni－C及NiCr－BN可磨耗封严涂层，对比研究两种涂层的结合强度、表面硬度及在不同冲蚀角下的冲蚀磨损性能，得到的主要结论如下:

(1)两种涂层中的润滑相 (C或BN)均匀分布在金属连续相之中，但与Ni－C涂层相比，NiCr－BN涂层中的润滑相尺寸更为细小;

(2)由于Ni－C涂层中的石墨润滑相较为粗大，降低了金属连续相之间有效的结合面积，使得NiCr－BN的结合强度及表面硬度均高于Ni－C涂层;

(3)30°冲蚀角下Ni－C涂层的相对冲蚀速率为7.81×10－4，而 NiCr－BN涂层为4.21×10－4，后者为前者的54%;90°冲蚀角下Ni－C涂层的相对冲蚀速率为1.14×10－3，而NiCr－BN涂层为5.72×10－4，后者为前者的50%，表明NiCr－BN涂层的抗冲蚀性能要优于Ni－C涂层。

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