| 标题 | 盐雾腐蚀对铜铝镍石墨封严涂层可磨耗行为的影响 |
| 范文 | 康军卫 张佳平 宋佳 摘 要：本文通过中性盐雾试验以及电化学分析技术研究了铜铝/镍石墨封严涂层的腐蚀行为和腐蚀机制，中性盐雾腐蚀后铜铝/镍石墨显示出明显的腐蚀迹象，表面形成大量的腐蚀产物。通过对涂层的宏观形貌、显微组织、结合强度等性能进行测试分析，掌握了铜铝/镍石墨封严涂层盐雾腐蚀后的性能衰变特征。利用高速刮擦试验机模拟高压压气机叶片与封严涂层的刮擦行为，研究了喷涂态以及腐蚀态的铜铝/镍石墨封严涂层与高温合金模拟叶片试件的磨损行为。结果表明：在高速刮削条件下，喷涂态以及腐蚀态的铜铝/镍石墨封严涂层与高温合金叶片的磨损机制为涂层剥落和叶片氧化磨损机制。高温合金叶片与腐蚀态的铜铝/镍石墨封严涂层对磨后，涂层表面状态恶化，涂层更容易剥落，叶片磨损情况变化不大。 关键词：封严涂层；腐蚀行为；刮削机制 中图分类号：TG17 文献标志码：A 0 引言 铜铝/镍石墨涂层为适用于500℃以下的可磨耗封严涂层，主要应用于我国军用航空发动机高压压气机部位的气路封严，其在海洋环境下的腐蚀行为以及与转子叶片的可磨耗行为方面均影响发动机效率，同时对发动机的运行安全有着重要影响。目前，铜铝/镍石墨封严涂层腐蚀行为的研究以及铜铝/镍石墨封严涂层与高温合金转子叶片相容性方面，国内外相关研究较少，国外未见公开报道，国内仅有少量文献发表。所以本文针对目前发动机上使用的铜铝/镍石墨封严涂层，通过中性盐雾试验以及电化学分析技术开展涂层腐蚀行为研究。采用能够模拟发动机服役条件的高速刮削试验机进行高速刮削试验，通过表面磨损形貌、可磨耗性计算等进行可磨耗行为研究。结合铜铝/镍石墨封严涂层金相组织、结合强度和硬度等性能，有效评价海洋环境下铜铝/镍石墨封严涂层的腐蚀性能以及发动机运行时其与转子叶片的磨损性能，满足封严涂层的安全应用的需要。 1 实验 1.1 实验材料 铜铝/镍石墨涂层的喷涂材料为混合型及团聚型两种喷涂粉末。 1.2 实验设备、条件 Metco 9M等离子喷涂设备、HP-6K火焰喷涂设备、自制高速刮擦式摩擦磨损试验机、万能拉伸试验机、电化学工作站等。 2 实验结果及讨论 2.1 盐雾腐蚀实验 2.1.1 腐蚀后宏观形貌 喷涂态和腐蚀态的CuAl/NiC涂层的截面形貌中白色较亮部分为金属相，是封严涂层中的金属骨架，主要提供涂层所需的强度，灰色部分为石墨固体润滑相，起到润滑、减摩的作用，模糊的黑色区域为孔洞。根据涂层截面形貌可以看出，腐蚀后CuAl/NiC涂层中孔隙尺寸变大，CuAl-NiC涂层体系因发生了Al相的选择性腐蚀，表面失去了金属光泽，金属相受到腐蚀变为灰黑色腐蚀相，金属粒子边缘溶解。可以预测，腐蚀环境会使封严涂层的内部结构受到破坏，将会使封严涂层的结合强度下降以及抗冲蚀性能下降，使封严涂层在使用过程中容易发生大块剥落，导致涂层作用失效。 2.1.2 结合强度检测 封严涂层腐蚀过程中，涂层结构受到腐蚀破坏，内部结合强度降低，涂层可磨耗性得到提升，抗冲蚀性能的下降。为了更好的评价封严涂层的使役性能，还需要考虑腐蚀对涂层与基体的结合强度的影响。采用万能拉伸试验机，对封严涂层的结合强度试片进行了拉伸试验，拉伸速率1mm/s，按照HB20035进行测试。分别将不同腐蚀时间下的试样进行三次重复试验。结合力测试结果为（1.22 MPa～6.7MPa）。 2.1.3 CuAl/NiC涂层体系极化行为研究 用电化学开路电位法测量涂层体系中的腐蚀趋势，由开路电位变化趋势可知，NiAl的开路电位始终低于CuAl/NiC，理论上，若腐蚀介质到达底层和表层界面处，封严涂层的底层作为阳极优先发生溶解。 电化学动电位扫描法测量涂层体系中单独两种涂层的腐蚀速度，理论上实际使用过程中，封严涂层体系的黏结底层作为阳极优先发生溶解，由于中间层的电位较表层的更负，即使腐蚀介质到达了二者的界面处，表层所受到的腐蚀破坏很小。 综合CuAl/NiC的腐蚀性能分析，涂层腐蚀时，理论上中间层NiAl优先腐蚀。实际情况是腐蚀介质未到达中间层和表层的结合界面处，表层CuAl/NiC优先腐蚀，并覆盖Ni/Cu的腐蚀产物。当腐蚀时间增加，腐蚀介质渗入中间层和表层的界面，引起层间的电化学腐蚀行为，造成层间界面结合强度下降，会发生连接层破坏这种严重的破坏形式。 2.2 涂层与叶片的高速刮擦试验 2.2.1 喷涂态铜铝/镍石墨涂层与高温合金叶片刮擦的磨损机制 线速度300 m/s、进给速度0.015 m/s下，涂层表面的能谱结果显示其含有Al、O、N和Si元素，但无Ti元素含量，说明在此高速刮擦试验条件下叶片材料没有向涂层发生转移。即此时涂层的磨损机制为涂层剥落和叶片刮磨涂层形成刮削犁沟。刮擦后叶片端面部分区域黏附Al/BN涂层，根据侧面黏附涂层的高度可见，黏附涂层高度接近1mm，未黏结涂层区域仍为叶片基体材料，表面基本无磨损现象。叶片表面黏附涂层表面的能谱显示其含有Al、O、N和Si元素，为涂层成分。 2.2.2 腐蚀态铜铝/镍石墨涂层与高温合金叶片刮擦的磨损机制 当进给速度0.01 m/s时，叶片端面一侧全部为黏附涂层，另一侧磨痕形貌中存在犁沟，表明刮削过程中从涂层中剥落的松散粒子将成为对磨副中的磨粒，对叶片表面的黏附涂层造成进一步的磨损，此时叶片的磨损机制为涂层黏附、犁削和塑性变形。 结论 （1）盐雾腐蚀后，铜铝/镍石墨涂层组织中孔隙含量增加，金属相腐蚀溶解。在此金相组织下，铜铝/镍石墨封严涂层表面洛氏硬度降低、结合强度均大幅度下降。盐雾腐蚀环境造成铜铝/镍石墨封严涂层的性能衰减。 （2）理论上NiAl底层优先腐蚀，但在实际情况中，腐蚀介质未到达底层和面层的结合界面处，面层铜铝/镍石墨优先腐蚀，随着腐蚀时间延长，会出现绿色的腐蚀点，表面覆盖Ni/Cu的腐蚀产物。 （3）在300m/s的线速度、入侵速度在0.015 mm/s，入侵深度在500mm條件下，喷涂态铜铝/镍石墨涂层与GH4169合金叶片试件对磨时，涂层表面出现刮削后涂层粒子剥落状态，叶片表面有氧化变色及磨损现象，磨损机制主要为氧化磨损机制。 （4）在相同刮磨条件下，涂层表面涂层粒子剥落更为严重，叶片表面兼有磨损以及铜铝/镍石墨涂层腐蚀产物黏附现象，叶片表面有铜铝/镍石墨涂层腐蚀产物黏附区域造成叶片伸长，以致涂层刮痕更长，叶片表面磨损状态与未腐蚀状态相近，磨损机制主要为氧化磨损机制。 参考文献 [1]赖师墨.控制航空发动机运转间隙的热喷涂封严涂层[J].航空制造技术，1995 （S1）：53-55. [2]张海存，张彬，李静，等.航空发动机封严涂层试验机控制测量研究[C].航空试验测试技术学术交流会论文集，2014. [3]薛伟海，高禩洋，张佳平，等.高速刮擦下Ti6Al4V叶片与NiAl-BN涂层的磨损行为[J].热喷涂技术，2014，6（3）：29-35. |
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