閆希彥 ，楊焜,*，曾克里，鄧春明，鄧暢光，趙明純

（1.中南大學(xué)，湖南 長沙 410083；2.廣東省科學(xué)院新材料研究所，現(xiàn)代材料表面工程技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣東省現(xiàn)代表面工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650）

可磨耗封嚴(yán)涂層作為一種復(fù)合涂層，主要由提供涂層力學(xué)性能的金屬組分和保證涂層磨耗性能的非金屬組分構(gòu)成。作為一種犧牲性涂層，其應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪機(jī)上，起到減小發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件與機(jī)匣間隙的作用，通過運(yùn)行過程中對(duì)可磨耗封嚴(yán)涂層的主動(dòng)刮削作用，實(shí)現(xiàn)徑向間隙封嚴(yán)控制，以獲得最大壓差，可減少泄漏，補(bǔ)償轉(zhuǎn)子及靜子部件熱膨脹差異及加工公差，提高效率，降低油耗，提高飛行安全性和延長大修間隔，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行[1-3]。

可磨耗封嚴(yán)涂層應(yīng)用的關(guān)鍵在于確保涂層獲得相對(duì)穩(wěn)定的摩擦學(xué)性能，國內(nèi)外已有不少相關(guān)研究。控制涂層磨耗性能的關(guān)鍵之一是對(duì)非金屬相的成分及組織形態(tài)的控制[4-11]。Liu等人[7]的研究表明，可磨耗涂層中高含量、細(xì)小的非金屬相更有利于封嚴(yán)涂層磨耗性能的優(yōu)化；Du等人[8]在研究了Ni3Al/hBN封嚴(yán)涂層后指出，涂層中非金屬相的含量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，以確保獲得較優(yōu)的力學(xué)性能和摩擦磨損性能；唐健江等[9]通過不同等離子噴涂工藝來控制鎳石墨涂層潤滑相的尺寸，發(fā)現(xiàn)涂層的洛氏硬度、結(jié)合強(qiáng)度等力學(xué)性能及抗沖蝕磨損性能會(huì)隨著潤滑相尺寸的減小而增強(qiáng)；紀(jì)朝輝等[10]通過多重分形譜分析鋁硅聚苯酯(AlSi-PHB)涂層中的聚苯酯顆粒分布及尺寸，對(duì)比不同噴涂工藝條件下涂層的摩擦因數(shù)及抵抗高速刮削力的性能。目前表征涂層磨耗性能的前沿方法為臺(tái)架試驗(yàn)法。該方法充分考慮了封嚴(yán)涂層實(shí)際服役過程的復(fù)雜性，通過搭建高溫高速模擬試驗(yàn)臺(tái)，高度模擬了封嚴(yán)涂層實(shí)際應(yīng)用的極端環(huán)境。其主要研究手段是在模擬葉片和涂層發(fā)生刮削過程中控制對(duì)磨副的進(jìn)給速率和線速度，考察涂層及摩擦副的質(zhì)量損失與摩擦磨損形貌[12-15]。

鋁-六方氮化硼(Al/hBN)作為一種典型的低溫封嚴(yán)涂層，服役環(huán)境溫度為450 °C以下，已在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和壓氣機(jī)1至4級(jí)獲得廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)的Al/hBN原始粉末中Al和hBN組分均為低密度材料，在機(jī)械攪拌混合制粉過程中都不易均勻分散，粉末僅依靠黏結(jié)劑粘連在一起，易因成分不均勻而產(chǎn)生金屬相和非金屬相偏聚，而且對(duì)于僅依靠黏結(jié)劑粘連的包覆結(jié)構(gòu)，復(fù)合粉末顆粒在等離子焰流中加溫加速時(shí)易被破壞，裸露的hBN組元易燒蝕，涂層中可磨耗組分因此而變少，進(jìn)而影響封嚴(yán)涂層的綜合可磨耗性，導(dǎo)致涂層在實(shí)際服役條件下可能發(fā)生大塊剝落或粘連等現(xiàn)象。

針對(duì)此問題，本研究在制備Al/hBN復(fù)合粉末的過程中加入枝晶狀電解Cu粉，利用枝晶鑲嵌片狀hBN及黏結(jié)劑粘結(jié)的雙重方法以降低噴涂過程中非金屬組元的燒損量，并對(duì)大氣等離子噴涂 CuAl/hBN涂層的表面洛氏硬度、結(jié)合強(qiáng)度及高溫磨損性能與磨損機(jī)理進(jìn)行了分析。作為對(duì)比，對(duì)原始粉末中未添加樹枝狀Cu粉的Al/hBN涂層的結(jié)構(gòu)和性能也進(jìn)行了表征和討論。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層的制備

涂層采用黏結(jié)層加面層的雙層結(jié)構(gòu)。黏結(jié)層用來減小可磨耗面層與鈦合金基體因熱膨脹系數(shù)不匹配所引起的熱應(yīng)力，增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，保證涂層長時(shí)間服役的穩(wěn)定性，而且可以提高整個(gè)涂層體系的抗氧化腐蝕性能，所用材料為NiAlW合金粉末。面層材料分別為某商用Al/hBN復(fù)合粉末以及自制CuAl/hBN復(fù)合粉末。Al/hBN粉末中Al與hBN的質(zhì)量比為4∶1，CuAl/hBN粉末中Cu、Al、hBN的質(zhì)量比為1∶3∶1，樹枝狀電解銅粉作為復(fù)合粉末顆粒的骨架，預(yù)混均勻的Al粉和片狀hBN組分充分嵌入銅粉的樹枝間隙內(nèi)部，保證添加的粉末混合時(shí)均勻分布而不容易產(chǎn)生偏析，再通過水玻璃黏結(jié)劑填充于顆粒之間的縫隙，將不同組分的固相粉末粘連到一起而成為團(tuán)聚體，解決了混合粉末組分偏聚造成的涂層組織不均勻問題。圖1a顯示出Al/hBN為hBN包覆Al粉的結(jié)構(gòu)，從圖1b中則可見CuAl/hBN粉末為枝晶狀Cu包束細(xì)微Al顆粒及層片狀hBN，其中黑色片狀組織為hBN，灰色球狀物質(zhì)為細(xì)Al粉，亮白色組分為裸露的Cu枝晶?；w采用直徑25.4 mm、高6 mm的TC4圓片，超聲除油后用46#鋯剛玉砂對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理。噴涂前將粉末置于烘箱中，70 ～ 80 °C烘烤4 h，以增加噴涂時(shí)粉末的流動(dòng)性。采用GTV-MFP-1000型大氣等離子噴涂設(shè)備來制備涂層，工藝參數(shù)見表1。先在噴砂基體表面噴涂厚度為120 ～ 150 μm的NiAlW，再在其表面制備厚度分別為300 μm和1 000 μm的可磨耗面層。其中，300 μm厚的涂層用于涂層結(jié)合強(qiáng)度測試，1 000 μm厚的涂層用于表面洛氏硬度測試、X射線衍射(XRD)表征及高溫磨損試驗(yàn)。

圖1 Al/hBN(a)和CuAl/hBN(b)復(fù)合噴涂粉末的SEM形貌Figure 1 SEM morphologies of Al/hBN (a) and CuAl/hBN (b) composite powder to be sprayed

表1 等離子噴涂的工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of plasma spraying

1.2 性能表征

采用FEI Quanta200 FEG掃描電子顯微鏡(SEM)和能量色散X射線分析系統(tǒng)(EDX)對(duì)復(fù)合粉末和涂層進(jìn)行微觀組織結(jié)構(gòu)分析。采用QUALITEST電動(dòng)表面洛氏硬度儀測試涂層硬度，以圓片圓心為中心等距選取10個(gè)點(diǎn)，測量標(biāo)尺采用HR15Y，加載時(shí)間為5 s，結(jié)果取平均值。涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用對(duì)偶件拉伸方法測試，用直徑25.4 mm的FM1000圓形膠片粘合，并放置在190 °C烘箱內(nèi)烘烤2 h，之后在GP-TS2000M萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上測試涂層的拉伸強(qiáng)度。噴涂態(tài)涂層的物相組成采用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析。涂層hBN燒損量表征采用Leco ONH836氮氧儀標(biāo)定涂層中氮元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)化學(xué)式的相對(duì)原子質(zhì)量計(jì)算硼元素含量。涂層的高溫磨損性能采用UMT高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，通過制備特定摩擦副，設(shè)置恒定軸向力等實(shí)驗(yàn)條件，觀察涂層在低線速度下的磨損情況，定量表征涂層的磨削深度、摩擦副及涂層質(zhì)量變化等性能指標(biāo)，其中質(zhì)量變化為正表示質(zhì)量增加，為負(fù)表示質(zhì)量減小。測試所用摩擦副材料為TC4鈦合金，正方形截面尺寸為4 mm × 4 mm，倒圓角R= 1 mm，磨損條件設(shè)置如下：軸向載荷8.5 N，摩擦半徑9 mm，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速500 rad/min，溫度450 °C，加載時(shí)間10 min，空氣氣氛。磨損后采用DEKTAK XT 3D輪廓儀表征涂層磨痕表面的起伏情況及磨痕深度。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的組織結(jié)構(gòu)

粉末顆粒在經(jīng)過熔融、撞擊基體、鋪展并急速冷卻、凝固的過程后，沉積在TC4鈦合金基體或已沉積涂層的表面。Al/hBN和CuAl/hBN涂層的SEM截面形貌及元素分布如圖2所示。結(jié)合圖3所示涂層的XRD分析結(jié)果可知：圖2a白色區(qū)域的成分為金屬Al，黑色區(qū)域?yàn)閔BN與孔隙；圖2b亮白色區(qū)域的成分為金屬Cu，灰白色區(qū)域?yàn)榻饘貯l，黑色區(qū)域?yàn)閔BN與孔隙。

圖3 封嚴(yán)涂層的XRD譜圖Figure 3 XRD patterns of abradable seal coatings

在大氣等離子噴涂工藝中，粉末顆粒熔融效果主要由噴涂功率決定。對(duì) Al/hBN涂層而言，在合理控制hBN燒損比的前提下，噴涂功率不宜過高，導(dǎo)致在噴涂時(shí)，部分支撐涂層力學(xué)性能的金屬顆粒在等離子焰流中熔融不充分，生成如圖2a中A區(qū)所示的大塊未熔顆粒。在粉末沉積后，金屬相的未熔區(qū)與熔融區(qū)發(fā)生交錯(cuò)分布，加劇了涂層中hBN與孔隙不均勻分布的程度。非金屬組元尺寸更加不均，不利于涂層磨耗性能的提高。表2顯示了Al/hBN和CuAl/hBN原始粉末及涂層中非金屬hBN組分的含量。CuAl/hBN涂層的hBN燒損比遠(yuǎn)小于 Al/hBN涂層，表明了枝晶狀 Cu的包覆對(duì) hBN組元的保護(hù)效果顯著。進(jìn)一步觀察圖 2b可發(fā)現(xiàn)，CuAl/hBN涂層中Al、B、N的分布更加彌散均勻，這是由于復(fù)合粉末中選用的 Al顆粒更加細(xì)小，在焰流中熔融效果更為充分，同時(shí)由于添加的枝晶Cu對(duì)hBN和Al有良好的包束作用，因此在涂層噴涂過程中保證了hBN 組元可以擁有更小的燒損量，更多的非金屬相及生成的孔隙細(xì)小、均勻、彌散地分布在金屬相周圍，進(jìn)一步鞏固了封嚴(yán)涂層磨耗性能的穩(wěn)定性。

表2 Al/hBN和CuAl/hBN粉末及涂層中非金屬hBN的含量Table 2 Content of non-metallic hBN in Al/hBN and CuAl/hBN powders and coatings

圖2 噴涂態(tài)封嚴(yán)涂層的截面形貌及元素分析Figure 2 Cross-sectional morphology and elemental analysis of as-sprayed abradable seal coatings

2.2 涂層的力學(xué)性能

如圖4所示，添加Cu后涂層的結(jié)合強(qiáng)度略有降低。在拉伸試驗(yàn)中，hBN與孔隙作為脆性相和缺陷，涂層的裂紋會(huì)由此處萌生及擴(kuò)展。從之前對(duì)圖2b的分析結(jié)果可知，CuAl/hBN涂層截面非金屬組元分布較為彌散均勻。當(dāng)在外部施加載荷時(shí)，涂層內(nèi)部萌生的裂紋受到的阻礙更小，更易在涂層的層間擴(kuò)展延伸。而在Al/hBN涂層中，由于存在較大的未熔顆粒，hBN與孔隙分布受到限制，涂層無法沿徑向獲得連續(xù)均勻的非金屬組織形態(tài)，導(dǎo)致裂紋在擴(kuò)展過程中易受到未熔金屬相的阻礙，宏觀上造成了Al/hBN涂層的結(jié)合強(qiáng)度大于CuAl/hBN涂層。

與Al/hBN涂層相比，CuAl/hBN涂層的硬度有所提高，但變化幅度不大。由于Cu的熔點(diǎn)和硬度顯著高于Al，當(dāng)噴涂功率較低時(shí)，部分枝晶Cu不會(huì)充分熔融，樹枝狀結(jié)構(gòu)有利于持續(xù)包裹嵌入其中的微細(xì)鋁粉和hBN顆粒，抑制了Cu與Al發(fā)生相變的比例及程度。因此在引入Cu組分之后，涂層的平均表面洛氏硬度雖有提高，但幅度可控。同時(shí)，添加枝晶Cu后的涂層組織更加彌散均勻，微觀上降低了由hBN及孔隙形成的缺陷集中分布而造成的組織硬度差異，反映在宏觀硬度測試中，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步加強(qiáng)，如圖 4中Al/hBN涂層硬度的誤差棒大于CuAl/hBN涂層。涂層硬度波動(dòng)的降低更有利于涂層整體宏觀使用性能的控制，增強(qiáng)涂層在服役過程中的穩(wěn)定性。

圖4 涂層表面洛氏硬度及結(jié)合強(qiáng)度Figure 4 Surface Rockwell hardness and bonding strength of abradable seal coatings

2.3 涂層的高溫耐磨損性能

表3給出了涂層在450 °C下摩擦磨損測試的結(jié)果。對(duì)比兩種涂層的磨痕寬度和涂層及摩擦副質(zhì)量變化可知，在相同的測試條件下CuAl/hBN涂層的刮削程度更小，這在添加Cu后的涂層表面洛氏硬度高于Al/hBN涂層中也能夠體現(xiàn)出來；另外，Al/hBN涂層在磨損后有更嚴(yán)重的質(zhì)量損失，且有部分涂層轉(zhuǎn)移至摩擦副上面，而摻雜枝晶Cu后的涂層質(zhì)量變化更小，摩擦副的質(zhì)量也幾乎不變。因此CuAl/hBN涂層更加耐磨，且對(duì)磨頭的保護(hù)要優(yōu)于預(yù)期。

表3 高溫磨損試驗(yàn)中涂層及摩擦副的質(zhì)量變化Table 3 Variation in mass of coatings and friction pair in high-temperature wear test

由于本測試對(duì)摩擦副接觸面形狀作了改進(jìn)，因此相較于使用球狀摩擦副時(shí)，涂層的磨損有一定程度的放大。由圖5可見，Al/hBN涂層的磨痕呈現(xiàn)明顯的片層狀涂抹態(tài)，存在較為明顯的切削痕跡，且片層狀基本由鋁元素構(gòu)成，起到磨耗性的hBN組元?jiǎng)t分布于涂抹后的片層狀周圍。據(jù)此可判斷Al/hBN涂層在磨損過程中以黏著磨損機(jī)制為主。而CuAl/hBN涂層上可以清晰地看到切削和犁削的痕跡，同時(shí)伴有少量磨損顆粒留存。從圖6所示CuAl/hBN摩擦磨損后的XRD譜圖可知，涂層在摩擦磨損期間生成了Al2Cu、CuO等金屬氧化物雜質(zhì)相，由此判斷CuAl/hBN涂層以磨粒磨損機(jī)制為主，同時(shí)伴有少量的氧化磨損。對(duì)圖5b中微區(qū)D處的山脊形狀磨痕放大可看到凸起的部分為粉末中的枝晶Cu，凹陷部分為Al，磨痕摩擦路徑末端以及磨粒周圍伴有少量的hBN。

圖5 Al/hBN涂層磨痕形貌(a)、CuAl/hBN涂層磨痕形貌(b)、Al/hBN涂層背散射磨痕形貌(c)、CuAl/hBN磨痕局部形貌(d)Figure 5 Morphology of scar on Al/hBN coating (a), morphology of scar on CuAl/hBN coating (b), backscattered morphology of scar on Al/hBN coating (c), and morphology of local area of scar on CuAl/hBN coating (d)

圖6 封嚴(yán)涂層摩擦磨損試驗(yàn)后的XRD譜圖Figure 6 XRD patterns of abradable seal coatings after friction and wear test

圖7a和圖7c所示的三維表面輪廓形貌為兩種涂層穩(wěn)定磨損的局部區(qū)域，從中可見Al/hBN磨痕表面的起伏較為劇烈，而CuAl/hBN的磨痕表面起伏較小，表明CuAl/hBN涂層在磨耗過程中具有更穩(wěn)定的可刮削性；圖7b和圖7d中顯示Al/hBN和CuAl/hBN涂層磨痕深度分別達(dá)到了400 μm和120 μm，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下CuAl/hBN擁有更淺的磨痕，磨損程度也更小，表明它更耐磨耗。

圖7 涂層局部磨痕的三維表面輪廓圖：(a)Al/hBN磨痕；(b)Al/hBN磨痕深度；(c)CuAl/hBN磨痕；(d)CuAl/hBN磨痕深度Figure 7 Three-dimensional surface profiles of local wear scars on coatings: (a) topograph of Al/hBN wear scar;(b) depth of Al/hBN wear scar; (c) topograph of CuAl/hBN wear scar; and (d) depth of CuAl/hBN wear scar

從涂層在低速條件下的磨耗性能比較可知，CuAl/hBN涂層的綜合性能優(yōu)于Al/hBN涂層。Al/hBN涂層中控制力學(xué)性能的主要金屬成分為Al，雖然單一金屬在理論上能夠較好地控制涂層的力學(xué)性能，但封嚴(yán)涂層磨耗性能的影響因素較為復(fù)雜，在實(shí)際磨耗環(huán)境下決定涂層磨耗性能好壞的關(guān)鍵之一是涂層內(nèi)起到刮削作用的非金屬相與孔隙等組織的成分含量及形態(tài)的整體分布。Al/hBN封嚴(yán)涂層中不均勻分布的 hBN組元在摩擦副刮削過程中會(huì)優(yōu)先發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而造成了磨痕表面局部區(qū)域的低坑與高峰落差較大，增大了磨痕表面的粗糙度，該組織形貌在動(dòng)態(tài)的刮削摩損過程中進(jìn)一步加快了涂層的刮削頻率，降低了封嚴(yán)涂層的使用壽命。而在CuAl/hBN封嚴(yán)涂層中，彌散均勻的hBN及孔隙分布使得涂層的磨痕表面波動(dòng)起伏得到緩解，因此涂層在刮削過程中的磨耗更加穩(wěn)定。不同于Al/hBN涂層中只存在一種金屬元素，CuAl/hBN涂層中引入了枝晶Cu，由于涂層與磨頭的劇烈相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)令摩擦熱短時(shí)間內(nèi)大量積聚，摩擦接觸面處的局部溫度會(huì)明顯高于450 °C，達(dá)到Cu與Al的相變點(diǎn)后導(dǎo)致了硬質(zhì)Al2Cu相的生成，并附著在枝晶Cu周圍。在涂層與摩擦副相互作用過程中，Al2Cu硬質(zhì)相作為重要的耐磨組分[16]，可以與Al元素組成不同硬度梯度的耐磨成分，減緩和穩(wěn)定涂層刮削的進(jìn)度，從而改善涂層的可磨耗性。除此之外，宏觀表現(xiàn)上CuAl/hBN涂層刮削后損失的質(zhì)量大多以細(xì)小磨屑的形式丟失，且作為摩擦副的TC4磨頭上基本不存在涂層粘附轉(zhuǎn)移；而Al/hBN在磨損過程中涂層的質(zhì)量損失較多，也有較多轉(zhuǎn)移至磨頭。在實(shí)際服役條件下，過量的涂層粘附轉(zhuǎn)移至葉尖表面會(huì)影響到葉片動(dòng)平衡及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，繼而加劇涂層的磨耗，縮短發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)周期。

3 結(jié)論

(1) CuAl/hBN粉末中枝晶Cu對(duì)Al和hBN的包覆效果良好。相較于Al/hBN，CuAl/hBN噴涂過程中hBN組元的燒蝕程度更小，涂層內(nèi)部的hBN組元及孔隙分布更加連續(xù)，且組織成分更加彌散均勻。

(2) 相較于Al/hBN涂層，CuAl/hBN涂層的結(jié)合強(qiáng)度略有下降，表面洛氏硬度小幅提高且起伏更加平穩(wěn)。

(3) 低線速度刮削磨損實(shí)驗(yàn)中，在相同實(shí)驗(yàn)加載下，CuAl/hBN封嚴(yán)涂層的質(zhì)量損失更小，摩擦副上的涂層質(zhì)量轉(zhuǎn)移更少，磨痕的表面起伏也更小，可磨耗性更加優(yōu)異。