基于赫兹接触模型的发动机封严涂层碰磨力计算与优化

目的提高航空发动机的推进效率,在压气机机匣上喷涂可以减少叶尖径向间隙的封严涂层。叶尖与涂层之间的碰磨力会导致涂层脱落,且会击伤叶片,需要对碰磨力进行分析。方法采用大气等离子喷涂技术制备4种不同硬度的AlSi-PHB(聚苯酯)封严涂层,通过表面硬度测试、弹性模量测试和高速碰磨试验,分别评价封严涂层的硬度、弹性模量,以及在高速碰磨过程中不同工况下涂层受到的碰磨力;基于赫兹接触模型对叶尖与涂层之间的碰磨力进行计算,通过激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对碰磨后的涂层和叶尖进行分析,同时根据接触面形态特征和温度特征对赫兹模型进行优化。结果碰磨力与涂层的硬度、叶尖转速、叶尖切入速率有关,复杂的接触表面形貌和摩擦升温会导致理论计算值与实验值之间出现偏差。结论通过优化叶尖和涂层的接触系数,同时考虑摩擦升温对涂层弹性模量的影响,可将不同工况下碰磨力计算值与测量值之间的偏差控制在1%~11%,这项研究对于指导航空发动机封严涂层的设计具有重要意义。