陳賀賀 ， 姜 濤 ， 劉昌奎 ，劉春江 ， 王金南 ， 劉硯飛

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，北京 100095；3.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；6.清華大學(xué)，北京 100084；7.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500）

0 引言

DD6 單晶渦輪葉片是目前我國(guó)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)常用的核心部件，具有持久強(qiáng)度高、薄壁效應(yīng)小、熱機(jī)械疲勞性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。渦輪葉片工作環(huán)境極其惡劣，需要承受巨大的離心載荷、氣動(dòng)載荷及高溫環(huán)境下的熱載荷[2]。葉片振動(dòng)故障是發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的故障，約占發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)故障的1/3，利用干摩擦阻尼對(duì)葉片進(jìn)行減振是一種簡(jiǎn)單而又行之有效的方法，廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等渦輪機(jī)的葉片上，可以有效限制構(gòu)件的振動(dòng)應(yīng)力水平[3～8]。阻尼塊選材要求良好的彈性模量、較高的硬度和合適的熱強(qiáng)性及熱膨脹系數(shù)等[9]，某發(fā)動(dòng)機(jī)選用的干摩擦阻尼塊是GH3536 變形高溫合金。干摩擦阻尼會(huì)帶來(lái)葉片與阻尼塊摩擦副之間的磨損問(wèn)題，異常磨損可能對(duì)減振效果造成影響，對(duì)葉片造成損傷[10]。

目前，在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中與單晶渦輪葉片配合的阻尼塊選材依據(jù)不夠明確，單晶渦輪葉片與阻尼材料之間摩擦磨損性能研究較少，影響機(jī)制不明確；因此，研究單晶合金與阻尼材料摩擦副之間摩擦磨損性能、關(guān)鍵影響因素等問(wèn)題，對(duì)阻尼塊選材有著十分重要的意義。

本研究通過(guò)開(kāi)展DD6/GH3536 高溫合金摩擦副材料級(jí)摩擦磨損試驗(yàn)，研究DD6/GH3536 摩擦副的高溫摩擦磨損性能，以及載荷因素對(duì)其的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)條件

摩擦磨損試驗(yàn)在SRV-4 高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)采用面面往復(fù)摩擦磨損方式，試驗(yàn)時(shí)固定下試樣，上試樣做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)溫度為750 ℃，運(yùn)動(dòng)行程為1 mm，頻率為20 Hz，載荷為360 N，并開(kāi)展了480、600 N 載荷條件下的試驗(yàn)。摩擦系數(shù)利用計(jì)算機(jī)在線測(cè)量摩擦力矩，進(jìn)而換算出摩擦系數(shù)；采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量試樣磨痕深度和體積；采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和能譜儀分別對(duì)磨損位置形貌特征進(jìn)行觀察和成分分析，分析摩擦磨損特性。

摩擦副上試樣采用DD6 單晶合金，其完全熱處理后的顯微組織主要由γ 基體和γ′強(qiáng)化相組成，成分見(jiàn)表1。摩擦副下試樣采用GH3536 合金，是Cr 和Mo 固溶強(qiáng)化的一種含鐵量較高的鎳基高溫合金，成分見(jiàn)表2。

表1 DD6 單晶合金名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Nominal composition of DD6 single crystal superalloy (mass fraction /%)

表2 GH3536 合金名義成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 2 Nominal composition of GH3536 superalloy (mass fraction /%)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 摩擦性能

DD6/GH3536 摩擦副摩擦系數(shù)μ 隨磨損時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖1，該系數(shù)前期急劇增大，最高約為0.96，后逐漸下降，下降階段波動(dòng)劇烈，曲線存在多次凸起；在250 s 后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定階段的μ 值約0.46。后期μ 值曲線存在不同程度的起伏，曲線起伏是較大磨損產(chǎn)物阻礙接觸區(qū)運(yùn)動(dòng)造成的。

通過(guò)精密天平測(cè)量DD6/GH3536 摩擦副試驗(yàn)前后的重量，DD6 上試樣磨損失重為0.77 mg，GH3536 下試樣磨損失重為2.67 mg，約占系統(tǒng)失重78%，說(shuō)明摩擦副中GH3536 主要被磨損。采用激光共聚焦顯微鏡對(duì)GH3536 下試樣不同位置磨損區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，等效計(jì)算整個(gè)磨損區(qū)域的體積，除以時(shí)間，得到GH3536 下試樣體積磨損率為2.4×106μm3·min-1。

2.2 磨損表面形貌分析

對(duì)DD6/GH3536 摩擦副磨損區(qū)域進(jìn)行宏微觀觀察，并對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行分析。摩擦試驗(yàn)前，DD6 和GH3536 試樣表面粗糙度Ra均在0.2 以下，表面呈金屬亮色，存在細(xì)小加工刀痕（圖2、圖3）。

圖1 DD6/GH3536 摩擦副摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig.1 Curve of friction coefficientof DD6/GH3536 friction pair with time

圖2 DD6 上試樣典型磨損形貌Fig.2 Typical wear morphology of DD6 specimens

按磨損形貌特征，可將DD6、GH3536 試樣磨損區(qū)域分成3 個(gè)區(qū)域：Ⅰ區(qū)，呈藍(lán)色，高度低于附近磨損區(qū)域表面，為磨損初期留下的痕跡，后經(jīng)高溫氧化成藍(lán)色，沿磨損方向分布，掃描電鏡下呈灰白色，表面平滑，除O 元素外，主要為基體元素，即Ⅰ區(qū)主要為早期磨粒磨損造成的犁削形貌；Ⅱ區(qū)，呈灰色，為反復(fù)磨損后最后呈現(xiàn)的表面形貌，掃描電鏡下呈灰色，主要呈連續(xù)分布，為材料轉(zhuǎn)移區(qū)域，部分存在高度較高區(qū)域，O 元素含量較高，部分含另一摩擦副特征元素，Ⅱ區(qū)主要為粘著磨損和氧化磨損區(qū)；Ⅲ區(qū)，呈黑色，無(wú)規(guī)則形貌，面積較小，為磨損過(guò)程中金屬發(fā)生剝落掉塊區(qū)域，表面較粗糙，即Ⅲ區(qū)主要為金屬剝落區(qū)。其中，磨損區(qū)以Ⅱ區(qū)形貌為主。

DD6 上試樣磨損區(qū)域形貌見(jiàn)圖2，主要以犁削條紋為主，存在剝落和塊狀凸起特征，掃描電鏡下主要呈灰色區(qū)域、灰白色區(qū)域和其表面分布的白色顆粒狀磨屑。磨損區(qū)成分分析見(jiàn)表3?；疑珔^(qū)域有較高的O 含量和GH3536 合金特征元素Fe，說(shuō)明GH3536 合金元素向DD6 試樣發(fā)生轉(zhuǎn)移（圖2d位置1）；灰白色區(qū)域的O 元素含量相對(duì)較低，未見(jiàn)明顯Fe 元素，為初始犁削后或剝落后裸露的基體（圖2d 位置2）。

圖3 GH3536 下試樣典型磨損形貌Fig.3 Typical wear morphology of GH3536 specimens

表3 DD6 上試樣磨損區(qū)域成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 3 Composition analysis of wear zone of DD6 specimens (mass fraction /%)

GH3536 試樣磨損區(qū)域形貌見(jiàn)圖3，主要以深犁溝為主，存在剝落、金屬涂抹、邊緣金屬卷積、氧化磨屑特征，磨損區(qū)域磨損深度約為6.7～59.1 μm，平均深度約為27.5 μm。掃描電鏡下呈灰色塊狀區(qū)域、灰白色區(qū)域和白色顆粒狀磨屑。磨損區(qū)成分分析見(jiàn)表4，灰白色區(qū)域主要含GH3536基體元素（圖3d 位置3），灰色塊狀區(qū)域含少量DD6 特征元素Ta（圖3d 位置4），說(shuō)明灰色塊狀區(qū)域?yàn)槟p產(chǎn)物。

表4 GH3536 下試樣磨損區(qū)域成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 4 Composition analysis of wear zone of GH3536 specimens(mass fraction /%)

2.3 磨損損傷組織分析

對(duì)DD6 和GH3536 試樣磨損區(qū)域取截面金相試樣，磨拋腐蝕后進(jìn)行觀察。

DD6 試樣磨損區(qū)形貌見(jiàn)圖4，磨損區(qū)域邊緣可見(jiàn)粘著的凸起物，薄厚不一，較厚的約為29 μm，凸起物與基體結(jié)合界面明顯，可見(jiàn)與表面平行的裂紋。從凸起物邊緣向基體進(jìn)行成分線掃描，可見(jiàn)凸起物成分與基體成分存在明顯差異，在與基體結(jié)合界面處元素含量發(fā)生突變，說(shuō)明凸起物與基體為機(jī)械結(jié)合。將成分與基體存在差別的凸起物層稱為變質(zhì)層，變質(zhì)層在基體磨損區(qū)表面分布不規(guī)則。DD6 試樣磨損區(qū)變質(zhì)層和變形層形貌見(jiàn)圖5，對(duì)變質(zhì)層進(jìn)一步分析，成分見(jiàn)表5，變質(zhì)層成分中含GH3536 特征元素Fe，較高的Cr、Mo、O 元素，結(jié)合變質(zhì)層與基體為機(jī)械結(jié)合，說(shuō)明變質(zhì)層主要為GH3536 合金高溫氧化磨損產(chǎn)物。變質(zhì)層下部基體表層組織發(fā)生流變，將該區(qū)域稱為變形層，變形層厚度約為8 μm。

圖4 DD6 上試樣變質(zhì)層形貌Fig.4 Metamorphic layer of DD6 specimen

GH3536 試樣磨損區(qū)形貌見(jiàn)圖6、圖7，磨損區(qū)可見(jiàn)磨損坑，坑邊緣存在金屬卷積形貌，坑內(nèi)可見(jiàn)組織和成分不同于基體的變質(zhì)層，變質(zhì)層中存在疊層狀分布組織，為磨損過(guò)程中反復(fù)擠壓變形所致，變質(zhì)層主要為基體元素，但含較高O 元素，說(shuō)明變質(zhì)層主要為GH3536 合金高溫氧化磨損產(chǎn)物（表6）。變質(zhì)層下部基體存在組織發(fā)生流變的變形層。

圖5 DD6 上試樣磨損區(qū)變質(zhì)層和變形層形貌Fig.5 Morphology of metamorphic layer and deformed layer in wear area of DD6 sample

表5 DD6 上試樣磨損區(qū)組織成分分析（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 5 Composition analysis of the wear zone of DD6 specimens (mass fraction /%)

圖6 GH3636 下試樣磨損區(qū)形貌Fig.6 Wear zone morphology of GH3536 specimen

綜上所述，DD6/GH3536 摩擦副磨損對(duì)材料造成的損傷特征以DD6 上試樣磨損區(qū)表層組織變形、GH3536 下試樣磨損區(qū)發(fā)生材料轉(zhuǎn)移以及表層組織變形為主。

2.4 載荷對(duì)DD6/GH3536 摩擦副性能影響

對(duì)DD6/GH3536 摩擦副在480、600 N 載荷條件下的摩擦磨損性能進(jìn)行研究，其他試驗(yàn)條件不變。

不同載荷條件下摩擦系數(shù)曲線見(jiàn)圖8，可以看出，在480、600 N 載荷條件下的摩擦系數(shù)曲線變化規(guī)律基本同360 N 載荷的摩擦系數(shù)曲線一致。480、600 N 載荷時(shí)的摩擦系數(shù)在前30 min 內(nèi)接近，穩(wěn)定階段約為0.44；后30 min 內(nèi)，480 N 載荷時(shí)的摩擦系數(shù)曲線較平穩(wěn)，穩(wěn)定階段約為0.43；600 N載荷時(shí)的摩擦系數(shù)曲線緩慢上升，最終穩(wěn)定在0.48 左右。故在這個(gè)載荷范圍內(nèi)，載荷對(duì)摩擦系數(shù)影響不大，影響值在0.05 范圍內(nèi)。

圖7 GH3536 下試樣磨損區(qū)微觀組織Fig.7 Microstructure of wear zone of GH3536 specimen

圖8 不同載荷摩擦系數(shù)曲線Fig.8 Friction coefficient curves under different loads

不同載荷條件下的體積磨損率和平均磨損深度見(jiàn)表7，可以看出，載荷越大，體積磨損率越大，磨損深度越大。

不同載荷條件下試樣的磨損區(qū)截面組織見(jiàn)圖9、圖10?？梢钥闯?，載荷越大，磨損區(qū)域變質(zhì)層越厚，變形層越厚，即損傷越嚴(yán)重。

表7 不同載荷試驗(yàn)的體積磨損率和磨損深度Table 7 Volume wear rate and depth of wear of different load tests

3 分析與討論

DD6/GH3536 摩擦副在750 ℃高溫、面接觸往復(fù)滑動(dòng)摩擦、360 N 載荷、1 mm 行程、20 Hz 頻率條件下，摩擦系數(shù)約為0.46，GH3536 下試樣主要被磨損，磨損失重約占系統(tǒng)失重的78%，GH3536下試樣體積磨損率為2.4×106μm3·min-1。

DD6 上試樣磨損區(qū)域形貌主要以犁削條紋為主，存在剝落和塊狀凸起特征，GH3536 下試樣磨損區(qū)域形貌主要以深犁溝為主，存在剝落、金屬涂抹、邊緣金屬卷積、氧化磨屑特征；上下磨損區(qū)域存在雙方特征元素，磨損區(qū)截面組織可見(jiàn)邊緣粘著在基體上的變質(zhì)層，變質(zhì)層為含氧量較高的高溫磨損產(chǎn)物，說(shuō)明DD6/GH3536 摩擦副發(fā)生了粘著磨損和氧化磨損；DD6 合金硬度為HRC 43，GH3536 合金硬度為HRC 21，較大的硬度差異容易造成粘著磨損，另外，在高溫下，試樣表面材料軟化，對(duì)粘著磨損起促進(jìn)作用。磨損過(guò)程中產(chǎn)生的剝落物會(huì)充當(dāng)磨粒發(fā)生磨粒磨損，對(duì)摩擦副表面產(chǎn)生犁溝作用和微切削[11]。綜上，DD6/GH3536摩擦副主要粘著磨損為主，存在磨粒磨損和氧化磨損。

圖9 480 N 載荷條件下磨損形貌Fig.9 Wear morphology under 480 N load

圖10 600 N 載荷條件下磨損形貌Fig.10 Wear morphology under 600 N load

DD6/GH3536 摩擦副磨損對(duì)材料造成的損傷特征以DD6 上試樣磨損區(qū)變質(zhì)層、次表層變形層，GH3536 下試樣磨損區(qū)磨損坑、變質(zhì)層和次表層變形層為主?？梢圆捎孟略嚇芋w積磨損率/磨損深度和變質(zhì)層/變形層厚度表示DD6/GH3536 摩擦副磨損嚴(yán)重程度，體積磨損率/磨損深度越大、變質(zhì)層/變形層厚度越厚，磨損嚴(yán)重程度越大。

對(duì)比不同載荷條件下的摩擦系數(shù)曲線可以看出，在一定載荷范圍內(nèi)，載荷對(duì)摩擦系數(shù)影響不大，影響值在0.05 范圍內(nèi)。對(duì)比不同載荷條件下的體積磨損率/磨損深度以及損傷特征，可以看出載荷越大，體積磨損率越大、磨損深度越大、變質(zhì)層和變形層厚度越大，即磨損嚴(yán)重程度越大。

4 結(jié)論

1）在750 ℃高溫、載荷為360 N、行程為1 mm、頻率為20 Hz 的條件下，DD6/GH3536 高溫合金摩擦副穩(wěn)定磨損的摩擦系數(shù)約為0.46，GH3536 下試樣體積磨損率約為2.4×106μm3·min-1；磨損形式主要以粘著磨損為主，并伴有磨粒磨損和氧化磨損；對(duì)材料造成的損傷以DD6 上試樣磨損區(qū)表層組織變形、GH3536 下試樣磨損區(qū)發(fā)生材料轉(zhuǎn)移以及表層組織變形等特征為主。

2）在360～600 N 載荷范圍內(nèi)，載荷對(duì)DD6/GH3536 摩擦副摩擦系數(shù)的影響不大，但隨載荷增加，GH3536 下試樣體積磨損率、磨損深度增加，磨損區(qū)域變質(zhì)層、變形層厚度增加。