高速刮擦条件下两种铝基封严涂层的可刮削性

目前少有从涂层机械性能角度(如硬度、结合强度等)研究大量应用于我国航空发动机上的Al-BN涂层的材料性能及其在高滑动速度条件下的摩擦学行为。为此,以AlSi-PHb涂层为参比对象,对比了两者的材料性能,并通过自制的高速刮擦试验机对两者与对偶钛合金叶片在高速工况下的摩擦磨损行为进行了研究。结果表明:AlSi-PHb涂层的组织均匀性更好、机械性能更高;Al-BN涂层粘着叶片,AlSi-PHb涂层粘着叶片的同时还强烈地磨损叶片,两种铝基涂层的可刮削性均存在不足;涂层的机械性能对于叶片的损伤形式具有直接影响,机械性能高,则刮擦时摩擦热效应显著,涂层易损伤叶片;反之,则易于粘着叶片。适度的机械性能,是封严涂层获得良好可刮削性的关键所在。

高速刮擦下Ni-G封严涂层与Ti6Al4V叶片间的材料转移行为

利用高速刮擦试验机研究了Ni-G（镍-石墨）封严涂层与Ti6Al4V叶片在线速度30-150m/s下刮擦时的材料转移行为。根据对叶片重量和高度变化、叶片和涂层磨痕的形貌、能谱分析发现,Ni-G封严涂层与Ti6Al4V叶片高速刮擦时主要发生叶片材料向涂层的转移。进一步通过对转移层表面和截面形貌、能谱和XRD分析,以及对分段收集的高速刮擦中的磨屑的观察,阐明了涂层磨痕中叶片材料转移层的结构、物相、转移位置和形成过程。

高速刮擦条件下封严涂层热物性对叶片损伤行为的影响

利用自制的高速刮擦试验机,对常见的铝、镍基封严涂层与TC4钛合叶片组成的封严摩擦副在高速刮擦条件下的摩擦学行为进行了研究。结果显示,铝基封严涂层对于叶片磨损轻微,甚至出现涂层粘着叶片的现象;镍基封严涂层严重的损伤叶片。通过分析刮擦面温度与力学性能变化间关系,发现封严涂层的热物性能对叶片的损伤具有重要的影响。若封严涂层的金属相熔点较低、热扩散率较大如铝基封严涂层,则配副使用时涂层易先于叶片发生软化,因而叶片磨损轻微,甚至被涂层粘附所代替。若封严涂层的金属相熔点较高、热扩散率较低如镍基封严涂层,则叶片易先于涂层发生软化,因而叶片损伤严重。

钛合金表面TiB2涂层与纯铝的高温黏着磨损行为

航空发动机低压气机机匣内表面Al基封严涂层的使用,可以通过其自身的磨耗实现保护TC4叶尖的目的,但同时Al基封严涂层中以Al为主的基体材料易于大量黏着转移至TC4叶尖表面,使叶尖长度增加,影响发动机运行稳定性。采用直流脉冲磁控溅射工艺在钛合金表面沉积TiB_(2)涂层,以期实现抗Al黏着磨损目的。具有致密结构的TiB_(2)涂层在钛合金表面膜基结合临界载荷(LC4)达85.4 N。在高温销-盘摩擦磨损试验机上评价钛合金表面TiB_(2)涂层与纯铝销对摩(室温至450℃)的抗Al黏着磨损性能。与TC4基体相比较,TiB_(2)涂层可有效抑制Al的黏着转移。对摩铝销磨斑具有拖尾特征和剪切舌特征。铝销向TiB_(2)涂层表面的机械涂抹和铝销对Al黏着转移层的剪切去除作用相互竞争,共同控制Al的黏着转移行为。TiB_(2)涂层磨痕内保持低表面粗糙度可减小高温软化铝销的机械涂抹倾向。同时TiB2涂层与Al黏着转移层间优异的化学稳定性可阻碍界面反应进行,降低界面结合强度,进而促进铝销对Al黏着转移层的剪切去除作用。钛合金表面TiB2涂层通过抑制铝销机械涂抹并增强铝销对Al黏着转移层的剪切去除而获得优异的抗Al黏着磨损性能。

高速刮擦下Ti6Al4V叶片与NiAl-BN涂层的磨损行为

利用高速刮擦试验机模拟压气机叶片与封严涂层的刮擦行为,研究了NiAl-BN封严涂层与TC4钛合金模拟叶片体系在线速度30m/s到150m/s范围内的磨损行为。结果表明:涂层的磨损,较低线速度下为涂层剥落和叶片向涂层转移机制,高速下转移层发生剥落;较低线速度时,叶片的磨损为犁削机制,随线速度升高转变为犁削和塑性变形机制。

井筒清洗工具与套管的往复滑动摩擦磨损行为研究

目的为了减少井筒清洁时间及成本,针对井筒清洗工具的石油钻井井筒工况,对一体化井筒清洁工具中的刮削块部分,采用激光熔覆涂层表面处理技术提高其耐磨性。方法采用多功能摩擦磨损实验机进行洗井液介质下套管与刮削块间的往复滑动摩擦磨损,通过螺旋测微器、电子天平、轮廓仪和白光干涉三维形貌仪测量套管与刮削块的损失量。采用光学显微镜、X射线衍射仪和扫描电镜表征涂层结构及磨损形貌。结果实验结果表明,刮削块与套管间的磨损机制主要为磨粒磨损和黏着磨损,最佳的摩擦配副为销试样AISI4330V和板试样Ni55涂层。该配副销试样的质量损失为0.35 g,高度损失为26μm,与未处理的42CrMo板试样对磨后的数值接近,板试样的磨痕深度为12μm,该损失量远小于其他板试样的损失量。其中硬度居中的激光熔覆Ni55涂层在磨损过程中,其亚表层内的碳化物组织破碎为块状颗粒,在摩擦磨损中起到了很好的承载作用。硬度较高的Stellite6涂层组织结合不致密,在摩擦磨损过程中易发生变形和破碎,且亚表层的碳化物组织在磨损的过程中破碎为更细小的颗粒,非但不能很好地抵抗磨损,还可能作为第三体磨粒进一步加剧磨损。结论在针对刮削块表面进行的激光熔覆涂层技术中,激光熔覆Ni55涂层可以作为提高刮削块耐磨性的有效方法。

模拟封严涂层工况的刮擦式摩擦磨损试验机

自主研发了模拟高速高温工况专用于评价封严涂层/对偶件服役性能的刮擦式摩擦磨损试验机。通过电主轴直接驱动负载主轴的方式保证高速刮擦过程中,转动样品能够平稳的运转;采用精密进给系统使得试验过程中平动样品能够精确的向转动样品移动;通过辐照聚光加热设备可将样品加热到需要的温度,进而完成所需的高温试验;采用高频响、石英压电三向传感器能够准确的采集到试验过程中的刮擦力信息;通过自行开发的快速数据采集系统现实了对海量试验数据的准确的采集、存储和输出功能。经实车测试,该试验机的刮擦速度最高可达160m/s,最高加热温度可达1 200℃,刮擦力的测量范围为10～1 000N,可同时记录刮擦力、刮擦温度、扭矩和转速等所需信息。

单摆冲击划痕法对封严涂层耐磨性的评价

涡轮机中封严涂层在减小转子与静子间隙,提高性能和效率上起着至关重要的作用,而抗冲击耐磨性决定封严涂层的服役寿命.单摆冲击划痕法模拟磨粒磨损且具有动态加载特性,可从力和能量两方面获得表层材料破坏过程的信息.通过单摆冲击划痕试验,研究了Al-Si-聚酯、Ni-石墨和Al-BN-水玻璃3种封严涂层的冲击划痕行为和比能耗曲线.结果表明:采用的拟合函数法可以较为方便、准确地计算出痕槽体积,随痕槽体积的增大,痕槽的实际最大深度与名义入侵深度的比值有逐渐增大的趋势,且痕槽形成的机制不同.刮削过程中3种封严涂层均有致密化倾向,痕槽形成过程中的塑性变形影响致密化.3种涂层中比能耗最大的为Al-Si-聚酯,耐磨性也最好;比能耗最小的为Ni-石墨,耐磨性最差;Al-BN-水玻璃的耐磨性介于二者之间.

磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响

通过在微动循环一定周次后清除磨屑和制备表面织构储存磨屑,研究磨屑对TC4钛合金微动磨损行为的影响.结果表明:与以往认识不同,清除磨屑会导致摩擦系数和系统形变量随周次的变化曲线出现突降,最大降幅分别可达63%和41%,微动循环图也相应发生改变.循环一定周次后,磨屑的产生和排出重新达到平衡,摩擦系数与系统形变量又恢复到清除磨屑之前的水平.当在TC4钛合金表面制备垂直于微动方向的沟槽状表面织构后,大量的磨屑被沟槽束缚在接触区域,造成接触面之间磨屑较多,进而导致摩擦系数和系统形变量比无织构时更大,最大增幅分别可达21%和47%.收集磨屑后用扫描电子显微镜观察,发现磨屑呈松散的颗粒状,尺寸集中在0.2~1.5μm,并且多数呈现团聚状.

刮擦线速度对TC4叶片与Ni-G封严涂层磨损行为的影响

、利用高速刮擦试验机模拟r压气机叶片与封严涂层的刮擦行为，研究了TC4（钛合金）叶片材料与Ni-G（镍一石墨）封严涂层体系存线速度30～150m／s范围内的磨损行为．通过对叶片样品端面及涂层样品磨痕的SEM-EDS、XPS分析和涂层样品磨痕表面的显微硬度测试，探讨了对摩体系的磨损机制．结果表明：随着线速度的增大，叶片样品的磨损率呈现先升后降的趋势；在低线速度下涂层样品致密化使叶片样品磨损轻微，中等线速度下叶片样品与涂层样品磨痕中高硬度转移层的刮擦造成叶片样品磨损加剧，高线速度下叶片样品端面较厚氧化膜减轻叶片材料向涂层的转移导致叶片样品磨榻下降．

油润滑条件下各向同性热解石墨/GH4169的摩擦学行为

各向同性热解石墨由于具有优异的力学性能以及极低的孔隙率,在机械密封领域具有广泛的应用前景,但目前针对各向同性热解石墨的摩擦磨损试验开展较少。采用MMW-10环-盘端面摩擦磨损试验机,通过改变转速和载荷,对各向同性热解石墨与GH4169配副的摩擦学行为进行研究。结果表明:在油润滑条件下,随着转速的增加,各向同性热解石墨的摩擦因数与磨损率呈现出先减小后增加的趋势,200 r/min时获得最小值;而摩擦因数与磨损率随载荷的增加逐渐减小,2 kN时获得最小值,且载荷对磨损率的影响更加明显。各向同性热解石墨的磨损形式主要为类抛光、擦伤及犁沟。各向同性热解石墨的润滑机理与液体膜的形成以及摩擦配副表面的接触特性密切相关。揭示了各向同性热解石墨在油润滑条件下的磨损机制以及润滑机理,为其在机械密封领域的应用提供和积累了参考依据。

稀土对GCr15轴承钢滚动接触疲劳中微点蚀的影响

机床轴承的服役性能与各部件间的摩擦学行为紧密相关,微点蚀是轴承发生精度寿命失效时在滚道表面出现的典型损伤.本文中采用球棒试验研究了油润滑时不同接触疲劳循环周次下稀土/普通GCr15轴承钢的滚动摩擦学行为.结果表明:不管是稀土GCr15轴承钢还是普通GCr15轴承钢,微点蚀的数量随着接触疲劳循环周次的增加而增加;不同的是,稀土GCr15轴承钢的微点蚀不仅浅而且较小较圆,普通GCr15轴承钢的微点蚀不仅深而且容易成片出现.开展的轴承台架试验也发现稀土轴承和普通轴承存在同样的微点蚀行为差别.从轴承钢的组织结构和碳化物方面讨论了稀土对微点蚀的影响,添加稀土使GCr15轴承钢中碳化物均匀地分布在基体中,有效地减少了液析碳化物的析出和大量网状碳化物的出现,从而降低了GCr15轴承钢在滚动接触疲劳中微点蚀的产生.

表面织构下钛合金不同周次的微动磨损行为

在航空发动机中,钛合金零部件的微动磨损不可避免。表面织构能在一定程度上减缓微动磨损,然而目前对表面织构下钛合金不同周次微动磨损行为的认识尚有不足。在TC4钛合金表面通过激光加工制备不同方向的沟槽状表面织构,随后进行不同周次的微动磨损试验。试验结果表明,在磨损的初期,有垂直方向表面织构的样品微动循环图更“瘦长”;随着磨损的进行,磨屑的分布状态发生了改变,其微动循环图变的和平行织构的样品以及无织构的样品相同。整个磨损过程随微动周次增加,分为黏着阶段和稳定阶段,垂直织构的样品上,黏着阶段又可被细分为黏着区域分散的阶段和黏着区域成片的阶段。随周次增加,磨屑的演变是由大块的磨屑层经不断被碾碎、氧化,转换成小块的磨屑,并且最终转换成细小的颗粒磨屑,被排出到磨损区域之外。研究结果对认识微动磨损行为中不同周次下表面织构的作用及磨屑的演化具有一定理论意义。

TC4钛合金表面钎焊WC耐磨层的微动磨损性能研究

钛合金叶片在实际工况中通常承受不同程度的微动磨损,为了提高钛合金叶片的耐磨性需要在其表面制备抗磨、抗冲击的耐磨层,研究耐磨层的微动磨损性能对叶片的工作可靠性和服役寿命具有重要作用。采用钛基钎料及感应钎焊工艺,在TC4钛合金基体上制备WC耐磨层,研究载荷、位移和频率等工况参数对耐磨层微动磨损性能的影响。结果表明:在小载荷条件下,位移和频率的变化对耐磨层平均摩擦系数影响不大;在中、高载荷条件下,频率变化对耐磨层平均摩擦系数影响较小,位移变化对耐磨层平均摩擦系数影响较大。在小位移条件下,耐磨层平均摩擦系数随载荷的增大而减小;在中、大位移条件下,载荷的变化对耐磨层平均摩擦系数的影响较小。位移幅值的变化对耐磨层的磨损体积具有显著影响。耐磨层的磨损形式主要为磨粒磨损和黏着磨损。

NiCrW-BN气路封严涂层的可刮削性评价

用销-盘、单摆冲击划痕和高速刮擦三种试验方法,研究了两种NiCrW-BN封严涂层的可刮削性.结果表明:封严涂层的可刮削性不同于耐磨性,即涂层的磨损量、比能耗和硬度等测量结果,不能单独作为其可刮削性的评价判据;评价封严涂层的可刮削性,应该综合涂层磨损、叶片磨损、摩擦系数和磨痕形貌等多方面的信息.封严涂层的可刮削性能受试验条件的影响十分明显,高速刮擦试验可模拟涂层工作参数(刮擦线速度、入侵速率等),可能重现其磨损现象,因此采用高速刮擦试验方法评价封严涂层的可刮削性更为合理.

稀土改性GCr15钢与保持架材料间的滑动摩擦磨损

进行环/块实验,研究了在脂润滑条件下稀土改性的GCr15轴承钢与胶木保持架材料间的滑动摩擦学行为,并与普通GCr15轴承钢进行了对比。结果表明:虽然稀土GCr15钢与胶木材料间的摩擦系数较大,但是其磨损体积却比普通GCr15钢的小。两种轴承钢材料的去除都以磨粒磨损为主,且随着转速的提高磨损体积减小。稀土GCr15钢的磨痕表面只出现犁沟,而普通GCr15钢除了出现磨粒磨损中塑性去除的犁沟,剥落也比较多。从碳化物、非金属夹杂物和残余奥氏体等方面,研究了GCr15钢经稀土改性后的组织改善对其使役行为的影响。结果表明,虽然稀土改性在一定程度上降低了轴承钢的硬度,但却有效地抑制了GCr15轴承钢在服役中出现的磨粒磨损中的断裂去除机制——材料剥落,从而提高了其在滑动摩擦条件下的耐磨损性能。