铝含量对镍铬铝膨润土可磨耗封严涂层性能的影响

胡晓蕾 ，郭丹，李振铎，刘建明，章德铭，张娜，丁志伟，黄兆晖

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160 2.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043 3.北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心，北京 102206；4.特种涂层材料与技术北京市重点实验室，北京 102206；5.北京飞机维修工程有限公司，北京 100621)

0 引言

航空工业的迅速发展对航空发动机的性能提出了越来越高的要求，低油耗、大推力、长寿命已成为新一代航空发动机设计的总体目标[1,2]。发动机的气路密封即转子与机匣的径向间隙大小对压气机和涡轮机效率及耗油率都有极大的影响[3,4]。封严涂层由于其具有抗高温氧化、抗腐蚀、可磨耗好等优点，被引入作为“牺牲型”材料，成为控制转、静子间隙的常用方法，通过采用热喷涂的方法在压气机或机匣内表面沉积涂层。当叶片高速旋转时，叶尖刮削封严涂层，在涂层上形成凹槽且不损坏叶尖，这样可在叶尖与机匣之间获得理想的最小间隙，从而显著提高发动机效率，并降低燃油消耗[5-9]。可磨耗封严涂层由于生产工艺简单、可修复和性能调整简易，可以为机匣提供隔热保护的同时，减少高温、高速燃气引起的扰动或喘振等不稳定现象而得到了迅速的发展[10,11]。

可磨耗封严涂层大多为复合材料，通常由一定比例的金属相和具有自润滑作用的非金属相组成[12,13]，一方面具有良好的自润滑性能及可磨耗性能，与叶尖对磨时发生主动磨耗从而保护叶片，同时还具有一定的抗冲蚀性，能抵抗发动机中高速气流及其中固体粒子的冲刷。两相组合后的封严涂层具有较好的热稳定性、耐冲击性、可磨耗性、耐腐蚀性以及与基体优良的结合性能[14,15]。

镍铬铝膨润土作为一种中高温封严涂层材料，常用于航空发动机、燃气轮机和透平机等封严部位[16-18]。本文采用火焰喷涂方式制备镍铬铝膨润土涂层，研究了铝含量在3.33 wt.%～4.68 wt.%范围内粉末所制备涂层的基本性能，通过对涂层的形貌、硬度、结合强度以及可磨耗性的测试和分析，初步探讨了镍铬铝膨润土粉末铝含量对镍铬铝膨润土涂层性能的影响。

1 试验过程与方法

1.1 粉末成分设计

采用化学包覆工艺制备了三种不同铝含量的镍铬铝膨润土粉末。制备的粉末典型形貌如图1所示，由图可知，粉末形状为类球形，镍铬铝膨润土粉末结构为镍铬铝金属层包覆膨润土核心颗粒的壳核结构。对镍铬铝膨润土粉末中的铝含量采用ICP-AES 法测试，铝含量的设计含量与实测含量如表1 所示。

表1 Al 含量的设计值与实测值Table 1 Design value and measured value of Al content

图1 镍铬铝膨润土粉末表面及截面：(a) 表面；(b) 截面Fig.1 SEM images of surface and cross-section of the NiCrAl bentonite powder: (a) surface; (b) cross-section

1.2 涂层制备

分别采用等离子喷涂系统和METCO 6P-Ⅱ氧-乙炔火焰喷涂系统在基体表面制备底层和镍铬铝膨润土封严涂层，其中粘结层材料选用镍铬铝粉末（矿冶科技集团有限公司，KF-110），喷涂参数见表2，面层为镍铬铝膨润土粉末，喷涂参数见表3。喷涂后对所制备涂层的微观组织形貌、硬度、结合强度等进行测试研究。

表2 粘结层喷涂参数Table 2 Spraying parameters of bonding layer

表3 面层喷涂参数Table 3 Spraying parameters of surface layers

1.3 涂层性能测试

采用日立公司的HitachiSU-5000 型扫描电子显微镜(SEM)观察和分析显微组织形貌。选取同一涂层不同视野的五张100 倍截面显微照片，根据不同衬度采用Image J 图像分析软件测定涂层中金属相与膨润土、孔洞相占比，取五次测量的平均值。涂层硬度测量在MODEL600MRD-S 型洛氏硬度仪上依照GB/T231.1-2000 进行，硬度标尺为HR15Y，测试前对涂层表面打磨平整。涂层的结合强度采用粘结拉伸法检测。将粗磨后的试样与预喷砂的对接件采用FM-1000 高温胶片粘结，190 ℃保温 2 h 的条件下固化；在WDW-100A 型微机控制电子式万能试验机上进行测试。拉断时单位面积涂层所承受的载荷为结合强度。为了保证实验结果的可靠性，每组实验均采取三个试样进行测试，取其平均值作为最终结果。

采用矿冶科技集团研制的BGRIMM-ATR型可磨耗试验机对镍铬铝膨润土涂层试样的可磨耗试验进行测试，可磨耗涂层试样的尺寸为100 mm×40 mm×8 mm；对磨叶片试样材质为GH4169。试验温度为25 ℃和650 ℃、线速度300 m/s，进给速率5 μm/s，进给深度为700 μm。将刮削试验前后的叶片高度变化与总进给深度的比值定义为叶片高度磨损比 (IDR)，通过下式计算：

Δh：叶片高度差，Δh=刮削前高度h1-刮削后高度h2；I：涂层磨痕深度。

当刮削试验后，叶片高度减小(Δh＞0)时，按公式(1)计算IDR，总侵入深度=磨痕深度+叶片高度差，即总的侵入深度是叶尖磨损的长度与涂层被刮削的深度之和。叶片高度增加(Δh＜0)时，按公式(2)计算IDR，即有涂层材料向叶尖的粘附造成叶片高度增加，总侵入深度=磨痕深度。

IDR是评价涂层可磨耗性能的定量指标。IDR的绝对值越小，可磨耗性能就越好。当以叶片磨损为主时，IDR为正值，当出现涂层材料黏附叶片时，IDR为负值。一般情况下，IDR绝对值小于10%可磨耗性为优，10～20%可磨耗性为良，20%～ 30%可磨耗性为可接受。

2 结果及分析

2.1 涂层形貌

不同铝含量的镍铬铝膨润土复合粉末经火焰喷涂获得的涂层微观组织形貌如图2 所示，其中，白色相为镍铬铝金属骨架组分，黑色相为膨润土和孔洞，由图2 可知，不同铝含量粉末制备的镍铬铝膨润土涂层中镍铬铝骨架组分与膨润土相组织分布均匀，无裂纹，涂层与底层无明显粘接不牢现象。表4 为涂层中两相的占比，随着铝含量增加，涂层中金属相占比增加。

图2 采用不同Al 含量镍铬铝膨润土复合粉末制备涂层的微观组织形貌：(a) 3.33 wt.%，(b) 4.19 wt.%，(c) 4.68 wt.%Fig.2 Microstructure and morphology of coatings prepared by NiCrAl bentonite composite powder with different Al content: (a) 3.33 wt.%, (b) 4.19 wt.%, (c) 4.68 wt.%

表4 涂层中各相的占比Table 4 Proportion of each phases in the coating

2.2 铝含量对涂层硬度的影响

对不同铝含量镍铬铝膨润土粉末制备涂层的硬度进行测定，结果如表5 所示，图3 为镍铬铝膨润土涂层的硬度随铝含量的变化曲线，由图3可知，随铝含量增加，涂层的表面硬度相应提高。镍铬铝膨润土粉末在火焰喷涂过程中，其中的铝粉发生铝热反应提高粉末温度，使得金属组分充分熔化，从而保证骨架组分的连续性。当粉末中的铝含量偏低时，放热反应产生的热能较低，金属相在喷涂过程中熔化效果变差，所形成的涂层金属骨架不连续，金属相占比较低，涂层硬度较低，随铝含量逐渐提高，铝热反应产生的热能升高，金属相熔化更充分，涂层中金属相占比增加，因此，涂层硬度随之提高。

图3 不同Al 含量涂层硬度变化Fig.3 Hardness variation of Coating with Different

表5 涂层硬度(HR15Y)对比Table 5 Hardness of coatings (HR 15Y)

2.3 铝含量对涂层结合强度的影响

对不同铝含量镍铬铝膨润土粉末制备封严涂层的结合强度进行测定，结果如表6 所示，结合强度与铝含量关系图如图4 所示。由表6 及图4可得，随着铝含量的增加，镍铬铝膨润土涂层的结合强度呈升高趋势。根据前期研究可知[6]，粉末中铝含量越高，铝热反应越剧烈，粉末在火焰喷涂过程中金属组分熔化越充分，涂层中金属骨架连续性增加，涂层孔隙率减少，涂层的结合强度越高。

表6 涂层结合强度Table 6 Bond Strength of Coating

图4 不同铝含量的涂层结合强度变化Fig.4 Bonding strength variation of coating with different Al content

2.4 涂层可磨耗性

通过对三种不同铝含量镍铬铝膨润土粉末制备涂层的基本性能对比可知，Al 含量为4.68 wt.%粉末制备涂层的硬度和结合强度均较优，因此对Al 含量为4.68 wt.%的镍铬铝膨润土涂层的可磨耗性进行测试。涂层的对磨试验结果见表7，根据试验结果可知，无论是室温还是高温，对磨后IDR值≤6%，说明铝含量的提高不仅提高涂层的硬度和结合强度，且涂层在室温及高温下与GH4169 叶片试样对磨过程中均表现出了优异的可磨耗性能。在室温及650 ℃下涂层的IDR值均为正值，说明在室温及高温下对磨均发生了一定程度的叶片叶尖磨损，导致叶片的高度减小。并且可以看出，与室温对比，在650 ℃高温下IDR值升高、叶尖磨损增加，这可能与高温下环境温度叠加摩擦生热导致GH4169 叶片产生软化导致其耐磨性降低有一定关系。

表7 叶片高度、总进给深度及IDR 值Table 7 The blade height, the total feed depth and the calculation of the IDR

3 结论

本文研究了铝含量在3.33 wt.%～4.68 wt.%之间镍铬铝膨润土粉末制备涂层的组织和性能，得出以下结论：

(1) 所制备镍铬铝膨润土涂层中镍铬铝金属骨架组分相与膨润土可磨耗组分分布均匀，随着粉末中铝含量增加，所制备涂层中金属相占比逐渐升高。

(2) 随着粉末中铝含量的增加，涂层的硬度和结合强度均呈现上升趋势，分析认为这是由于粉末在火焰喷涂过程中铝热反应产生的热能升高，金属相熔化更充分。

(3) 铝含量为4.68 wt.%镍铬铝膨润土复合粉末喷涂涂层，组织均匀性好，涂层硬度为52.84 HR15Y，结合强度为6.63 MPa，在室温及高温下IDR 值均小于6%，可磨耗性优异。