（材料加工工程专业论文）铝硅封严涂层热稳失效机理分析.pdfVIP

中文摘要 采用喷涂封严涂层的方法调整叶片端部与发动机涡轮机壳之间的间隙以提 高发动机效率。封严涂层在3 0 0 。c 的条件下使用，经过一段时间后将发生失效。 涂层发生失效的原因多种多样，如应力、氧化物、材料性能劣化等。本文针对聚 苯酯铝硅封严涂层的失效机理进行分析。 根据所研究涂层的使用温度，选择聚苯酯铝硅作为面层粉料，为减小热应力 进行打底，按照相关要求最终确定喷涂工艺参数。将制得涂层试样在3 0 0 加热 不同时间，然后在金相显微镜、扫描电镜下观察其微观组织变化，并计算喷涂界 面处的分形维数。分形维数与界面曲线复杂程度的关系已有研究，主要是曲线越 复杂，维数越大。通过微观观察及分形维数计算结果分析聚苯酯铝硅封严涂层失 效原因。 在金相观察中，发现聚苯酯铝硅封严涂层中有裂纹、孔洞等缺陷，并观察到 随保温时间的延长，铝、镍的氧化物越来越多。计算分形维数得到的结果也是随 保温时间的延长维数越来越大。分析聚苯酯铝硅涂层的各种可能失效原因，得到 如下结论。 ( 1 ) 经试验证实，涂层的喷涂工艺参数可行，所喷制的涂层满足相关工艺要 求，可使用该参数制备试样进行实验。 ( 2 ) 聚苯酯铝硅面层与n i 5 a i 底层、n i 5 a i 底层与基体两个界面的分形维数随 保温时间的延长增大，说明界面越来越复杂。这可能是由于应力应变分布、氧化 物、界面结合情况改变等综合因素造成的结果。 ( 3 ) 涂层失效主要有两方面的原因：一是在喷制过程中，由于工艺特点而产 生各种缺陷，二是所选粉料中聚苯酯在3 0 0 时的性能发生变化，以及铝在高温 使用过程中产生氧化物。 关键词：封严涂层；热稳定性；分形维数；失效机理 a b s t r a c t s e a lc o a t i n gs p r a y e di sc u r r e n t l yu s e dt oa d j u s tt h eg a pb e t w e e nt h eb l a d et i pa n d e n g i n ec a s i n ga n di m p r o v ee n g i n ee f f i c i e n c y a f t e rap e r i o do ft i m e ，s e a lc o a t i n g w o r k i n ga t3 0 0 w o u l db ef a i l u r e t h ef a i l u r eo fc o a t i n go c c u r r e df o rav a r i e t yo f r e a s o n s ，s u c ha ss t r e s s ，o x i d e ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，e t c i nt h i sp a p e r ，a i - s ip o l y e s t e r s e a lc o a t i n gf a i l u r em e c h a n i s mw o u l db ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ec o a t i n gu s e d ，a i - s ip o l y e s t e rp o w d e ri ss e l e c t e da sa t o pc o a t a n dt or e d u c et h et h e r m a ls t r e s s ，b o n dc o a t i n gi sn e e d e d i na c c o r d a n c ew i t h t h er e q u i r e m e n t s t h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d a t3 0 0 h e a t i n gt h e c o a t i n gs a m p l e sa td i f f e r e n tt i m e s ，i nt h em i c r o s c o p e ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ， w ec o u l do b s e r v et h a tt h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e s a n dc a l c u l a t et h ef r a c t a ld i m e n s i o n o fi n t e r f a c e t h er e s e a r c h e sa b o u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o no ft h e i n t e r f a c ec u r v ea n dt h ec o m p l e x i t yi n d i c a t et h a tt h em o r ec o m p l e xc u r v e ，t h eg r e a t e r d i m e n s i o n t h r o u g hm i c r o s c o p i co b s e r v a t i o na n dc a l c u l a t i o no ff r a c t a ld i m e n s i o nt h e s e a lc o a t i n gf a i l u r eo fa l s i p o l y e s t e rw o u l db ea n a l y z e d i nt h em e t a l l o g r a p h i co b s e r v a t i o n ，w ec a nf i n dc r a c k s ，h o l e sa n do t h e rd e f e c t s a n di ti so b s e r v e dt h a tw i t ht h ee x t e n s i o no fs o a k i n gt i m e ，m o r ea n dm o r eo x i d e s c a l c u l a t i o no ff r a c t a ld i m e n s i o ni st h er e s u l to ft h ee x t e n s i o nw i t ht h eh o l d i n gt i m e d i m e n s i o ni sg r o w i n g a n a l y s i st h ev a r i o u sp o s s i b l er e a s o n so fa i s ip o l y e s t e r s e a l i n gc o a t i n gf a i l u r e ，w ec o u l do b t a i nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ( 1 ) p r o c e s sp a r a m e t e r so fc o a t i n ga lef e a s i b l ea f t e rt e s t i n g t l l es p r a y e dc o a t i n g s y s t e mm e e t st h er e l e v a n tr e q u i r e m e n t st h es a m p l e sc o u l db em a d eb yt h ep a r a m e t e r s ( 2 ) w i t ht h ee x t e n d e dh o l d i n gt i m e ，t h ef r a c t a ld i m e n s i o no ft h et w oi n t e r f a c e s i n c r e a s e d t h i ss h o w st h a ti n t e r f a c ec u r v e sb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o m p l e x 1 1 1 i s m a yb ed u et ot h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i n ，o x i d e ，c o n d i t i o no fi n t e r f a c ea n ds o o n i ti st h er e s u l to fac o m p r e h e n s i v e ( 3 ) t h ef a i l u r eo fc o a t i n gh a st w om a i nr e a s o n s ：f i r s t ，i nt h ep r o c e s so fs p r a y s y s t e m ，a st h et e c h n o l o g yf e a t u r e sav a r i e t yo fd e f e c t sa r i s i n g ，a n dt h eo t h e ri st h e p o w d e rs e l e c t e d a t3 0 0 p o l y e s t e rp e r f o r m a n c ec h a n g e s a sw e l l a sa l u m i n u m g e n e r a t eo x i d e s k e yw o r d s ：s e a lc o a t i n g ，t h e r m a ls t a b i l i t y , f r a c t a ld i m e n s i o n ，f a i l u r e m e c h a n i s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 土日签字日期：3 o 口歹年月 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基洼盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗盘鲎一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王 1 习 导师签 签字嗍山。7 年多月日签字吼呼参月7 日 天津大学硕 ：学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着航空技术的日益发展及能源的日渐短缺，对发动机的效率提出了越来越 高的要求。据资料报道，在一台高压涡轮机内，叶片与机壳之间的间隙每减小 0 1 3 - 0 2 5 r a m ，油耗可减少0 5 1 0 ，发动机效率即可提高2 左右。然而，在 发动机的制造和运行过程中，由于：发动机组件的热膨胀及轴的热变形；转 子高速旋转，离心力引起的叶片伸长；零件加工的公差及发动机装配的偏差； 发动机加速减速和飞机着陆等引起的振动及零部件因振动引起的位移等原 因i lj ，实际上无法将该间隙控制为零。因此，航空发动机设计和制造时，在叶尖 与机壳之间要预留2 3 m m 的间隙，但过大的间隙必将使气体大量泄漏，导致发动 机效率降低，而封严涂层的存在将有助于将间隙减d , n 最低限度。 封严涂层应具有较好的表面质量( 气孔数量少且孔径l m m ) 和优良的耐磨 损性、热稳定性、较小的摩擦系数以及良好的与基体材料的附着特性。理想的封 严涂层应既有足够的强度抵抗外部颗粒及气体的冲蚀，又可被叶片刮削。在叶片 与涂层发生摩擦接触时，涂层被刮削而叶片尖端不磨损，涂层不脱落，同时缩小 气路，封严间隙，减少气体漏泄，提高飞机发动机的工作效率等性能【2 】。此外， 随着发动机工作温度的升高，对满足温度环境使用要求而又不失效的配套涂层的 需求也更为强烈。 1 2 封严涂层的应用与发展 目前封严涂层主要有以下几大类【3 】。 1 ) 有机涂层工作温度低于2 3 0 c 时，采用加填料的有机树脂涂料。所用基 料有醇酸、沥青和环氧树脂，填料大多为滑石粉；高于2 3 0 时，多采用有机硅 树脂为基料，填料大多用石墨、云母粉、滑石粉等。 2 ) 热喷涂涂层 3 ) 烧结金属纤维涂层，耐温可达8 0 0 4 ) 填充的或不填充的薄壁蜂窝结构涂层，耐温可达1 0 0 0 5 ) 可控制孔隙率的陶瓷基涂层，耐温可达1 2 0 0 l 由于薄壁蜂窝结构涂层要进行烧结，而后需进一步钎焊，将其固定在外壳上。 天津大学硕 ：学位论文第一章绪论 当发动机返修时，很难去除、整修；而有机涂料因受到温度的限制也难以在高温 条件下应用。因此近年来，国外发展最快、研究最多的是热喷涂涂料和耐高温的 陶瓷基涂料及其工艺过程。 1 2 1 封严涂层的应用 目前，航空发动机上采用的气路封严方式主要有蜂窝封严、镶块封严、多孔 条封严、金属毡封严、浆状铸型封严和热喷涂涂层封严。前4 种封严方法曾得到 较广泛的应用，但这些封严材料要通过钎焊与机壳相连，工艺较为繁杂，返修时 去除也相当困难；浆状铸型法也由于要进行后续热处理而很少采用，而热喷涂封 严涂层( 见图1 1 ) 则由于具有以下优点，得到越来越广泛的应用： 1 ) 容易按照所要求的厚度直接喷涂在发动机部件上而不需要钎焊； 2 ) 容易返修，1 日涂层可去除，新涂层可直接重新喷涂在同一位置； 3 ) 根据发动机不同部位不同使用温度的要求，可供选择的材料较多； 4 ) 容易调整性能，以获得可磨耗性和抗冲蚀性的最佳配合； 5 ) 涂层可为机壳提供热障和减少其受高温燃气的影响。 于薯件 图1 1 封严涂层部位示意图 1 2 2 封严涂层的国内外发展 国外对可磨耗封严涂层的研究起步于2 0 世纪5 0 年代，目前已有2 0 多种适 用于发动机不同部位、不同温度要求的可磨耗封严涂层粉料，如美国m e t c o 公司 生产的m e t c 0 3 0 7 n i 石墨、m e t c 0 3 1 0 、m e t c 0 3 1 3 铝硅石墨和m e t c 0 6 1 0 铝硅聚苯 酯等。此外，还有使用温度达1 0 0 0 以上的氧化锆陶瓷涂层：s u l z e r 公司开发的 n i c r a l 2 h b n 2 聚酯涂层粉料，其中聚苯酯在涂层工作时烧损而增加可磨耗性， n i 基合金基体保证了在高温使用的抗冲蚀性和自身的强度，h b n 在高温具有较好 的自润滑性，避免叶冠与涂层之间的粘着。y s y 2 h b n 2 聚苯酯( y s y 2 氧化钇部 分稳定的氧化锆) 涂层，硬脆的z r 0 2 有利于提高涂层的抗冲蚀性；梯度陶瓷涂层 能得到较好的可磨耗性、隔热性并且可改善抗剥落性能。 天津大学硕j ：学位论文第一章绪论 国内对可磨耗封严涂层的研究起步于2 0 世纪7 0 年代后期。目前热喷涂技术 在航空发动机维修中的应用与国外先进技术相比还有一定的差距。铝合金聚酯 复合材料已广泛的被航空工业界接受，该类涂层有良好的可磨耗性、自润滑性及 导热性，通常用等离子喷涂方法加工，涂层抗气流冲蚀性好，而且不损坏相配合 的钛合金叶片，因而被大量应用于风扇压气机部位。镍石墨复合粉是最早期的 可磨耗封严材料，由于等离子喷涂层硬度较高，因而需采用火焰喷涂方法。其涂 层耐冲蚀性好于铝石墨涂层，但不推荐用于与钛合金叶片配磨。硅藻土是一种 天然的，以二氧化硅为主体的材料，其松软多孔且高温稳定性好。用镍或镍铬铝 包覆的硅藻土复合材料可作为工作温度在8 0 0 左右的涡轮部件封严涂层材料； 在含六方氮化硼类的喷涂材料中，m 3 0 1 涂层硬度适中，在5 4 0 - 8 15 时可磨 耗性及抗气流冲蚀性等良好i 。 目前国内热喷涂技术在航空发动机维修中应用最广的领域是恢复发动机上 领部件的尺寸，如在i i i 级机壳等离子喷涂聚苯酯铝硅封严涂层，在加力简体隔 热屏上等离子喷涂氧化锆涂层，再如滑油泵壳体的结合面磨损，采用等离子喷涂 铜铝涂层的方法恢复其尺寸。 1 3 封严涂层制备 1 3 1 封严涂层制备技术 封严涂层制备采用热喷涂技术，主要包括：火焰喷涂、爆炸喷涂、等离子喷 涂和高速火焰喷涂( h v o f ) 。 ( 1 ) 火焰喷涂 利用火焰为热源，将金属与非金属材料加热到熔融状态，在高速气流 的推动下形成雾流，喷射到基体上，喷射的微小熔融颗粒撞击在基体上时， 产生塑性变形，成为片状叠加沉积涂层，这一过程称为火焰喷涂。在设备 维修中，它被用来补偿零件表面的磨损和改善性能。 该涂层具有以下基本特点：一般金属、非金属基体均可喷涂，对基 体的形状和尺寸通常也不受限制，但小孔目前尚不能喷涂；涂层材料广 泛，金属、合金、陶瓷、复合材料均可为涂层材料，可使表面具有各种性 能，如耐腐蚀、耐磨；耐高温、隔热等：涂层的多孔性组织有储油润滑 和减摩性能，含有硬质相的喷涂层宏观硬度可达4 5 0 h b ，喷焊层可达6 5 h r c ； 火焰喷涂对基体影响小，基体表面受热温度为2 0 0 , - - - 2 5 0 。c ，整体温度约 7 0 8 0 ，故基体变形小，材料组织不发生变化。 但该涂层也有缺点：喷涂层与基体结合强度较低，不能承受交变载 天津大学硕士学位论文第一章绪论 荷和冲击载荷；基体表面制备要求高；火焰喷涂工艺受多种条件影 响，涂层质量尚无有效检测方法。 火焰喷涂速度较低，涂层疏松，粘附力较差，氧化物含量较高。热喷涂中， 火焰喷涂成本最低，已成功用于高孔隙率、高氧化物含量的特殊涂层。 ( 2 ) 爆炸喷涂 爆炸喷涂是利用氧气和乙炔气点火燃烧，造成气体膨胀而产生爆炸，释 放出热能和冲击波。热能使喷涂粉末熔化，冲击波则使熔融粉末以7 0 0 - 8 0 0 m s 的速度喷射到工件表面上形成涂层。爆炸涂层形成的基本特征，一般 认为仍然是高速熔融粒子碰撞基体的结果。爆炸喷涂的最大特点是粒子飞 行速度高，动能大，所以爆炸喷涂涂层具有：涂层和基体的结合强度高； 涂层致密，气孔率很低；涂层表面加工后粗糙度低；工件表面温 度低。 火焰喷涂与爆炸喷涂这两种热喷涂技术已广泛用于封严涂层。 ( 3 ) 等离子喷涂 等离子喷涂( p s ) 是最早用于制造热障涂层的先进工艺。它是用等离子体发 生器( 等离子喷枪) 产生等离子体，同时，送粉管中输送的粉末在等离子焰流中被 加热到熔融状态，并高速喷涂在零件表面。当熔融状态的球形粉末撞击零件表面 时，将发生塑性变形，附着在零件表面，各颗粒也依靠塑性变形而相互粘结，随 着喷涂时间的增长，零件表面就获得了一定厚度尺寸的喷涂层。 该喷涂方法利用高速飞行的熔融或半熔融态粒子撞击变形后叠加形成涂层， 其表面粗糙度低，显微组织呈片层状，孔洞较多。目前，等离子喷涂制备的热障 涂层在航空发动机加力燃烧室火焰筒、鱼鳞板、涡轮静止叶片上均有应用。 等离子喷涂有以下三种形式：空气等离子喷涂( a p s ) 、充氩等离子喷涂 f a s p s ) 、真空等离子喷涂( v p s ) 。a p s 涂层较致密。但含有一定量氧化物。a s p s 涂层干净、粘附力强，与a p s 涂层比较，含较少的氧化物。v p s ( 或低压等离子喷 涂l p p s ) 消除了等离子喷射中空气污染的问题，颗粒速度达4 0 0 - 6 0 0 m s ，涂层具 有高致密性、高纯度和较高的粘附力。 ( 4 ) 高速火焰喷涂( h v o f ) 高速火焰喷涂的发展始于上世纪7 0 年代末、8 0 年代初。它喷涂的速度很高， 达| 2 2 0 m s ，因此与基体的粘附力强，涂层致密，孔隙率低，重现性好。 1 3 2 封严涂层涂料 目前用于发动机压气机部位的热喷涂涂料主要有以下几种。 1 ) a 1 s i 聚酯涂料已广泛用于工业生产。采用等离子喷涂，可得到孔隙率 天津大学硕士学位论文第一章绪论 较低，磨损性和耐冲蚀性均较好的涂层，耐温达3 2 5 。聚酯具有较低的摩擦系 数，对叶片尖端几乎不磨损。涂层具有易修复的优点。 美国s u i z e rp l a s m at e c h n i k 公司上世纪9 0 年代研制的a m d r y2 0 0 0a 1 s i 聚 酰亚胺封严涂料耐温可达3 5 0 ，采用等离子喷涂，各项性能优于a 1 s i 聚酯涂料， 并已于商业生产。 2 ) 铝合金石墨涂料可采用火焰喷涂或等离子喷涂，耐温达4 5 0 ( 2 。石墨 组分在摩擦界面起润滑作用，含量为2 5 - 5 0 ( 叭) 。a 1 石墨涂料的磨损性能与 a 1 s i 聚酯涂料相同，但抗微粒冲蚀性较差。 3 ) n i 石墨涂料这是热喷涂工艺中最先使用的封严材料，耐温最高达4 2 5 ，用于发动机的高压压气机部位。石墨的含量为1 5 - 2 5 ( w t ) 。涂层采用火 焰喷涂，可得到在一定范围内控制孔隙率的涂层。n i 石墨涂料的耐蚀性优于铝 合金石墨涂料。 4 ) n i c r - f e a 1 氮化硼涂料耐温达8 0 0 。涂料中氮化硼体积含量占 n i c r f e a i 基体的1 0 ，其作用类似于石墨。 5 ) n i c a 1 膨润土涂料耐温达6 5 0 ( 2 - - - 8 5 0 ( 2 。涂料中的膨润士是煅烧的铝 硅酸盐矿物质，具有良好的磨损性，含量为2 0 ( w t ) 。n i c r a l 作为耐高温基体， 具有优异的抗氧化性和热绝缘性能。 6 ) n i a l 涂料用于发动机内壳和级间的密封，耐温达8 1 5 c 。涂层耐冲蚀性 较好，可磨损性较差。 另外，固体润滑剂，如聚合物、石墨和六角晶系的氮化硼，也大量用于热喷 涂涂料中，以降低摩擦，并产生耐冲蚀韧性，使叶片尖端的磨损为最小。 对于高温封严涂层材料，近年有相关研究如金属基可磨耗封严材料、陶瓷基 可磨耗涂层等。金属基可磨耗封严材料主要是由金属基体、固体润滑剂和聚酯材 料3 种成分组成。陶瓷基可磨耗涂层材料设计温度可达1 2 0 0 。新型的陶瓷基可 磨耗材料一般是以氧化钇氧化锆为基，该种粉末材料主要制备工艺有喷雾干燥 和等离子球化两种1 4 j 。 本文研究的封严涂层所用粉系为底层镍铝粉( 相当于m e t o c 4 5 0 n s ，n i 5 a ! ) ， 面层聚苯酯铝硅( 相当于m e t c 0 6 0 1 n s ，质量比为a i s i ：p o l y e s t e r = 3 ：2 ) ，其中的铝 硅元素用来提高涂层硬度，聚苯酯起到润滑作用，增强可磨耗性。涂层的可磨耗 性和耐冲蚀性是两个相互矛盾的性能，通过粉料比例及工艺参数的调整使二者达 到平衡。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 封严涂层热稳定性研究方法 封严涂层的热稳定性能是指在长期的高温作用下，涂层性能随保温时间的变 化规律。可以从不同角度进行热稳定性评价，如硬度、结合强度、微观组织变化 和耐磨蚀性等。 1 4 1 常用热稳定性实验方法 1 ) 硬度 材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度，是衡量金属材料软硬程度的 一项重要的性能指标。它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能 力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概 念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。此外，硬度试验 是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。实践证明，材料的各种硬度值之 间，硬度值与强度值之间具有相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继 续塑性变形抗力决定的。材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。 硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法( 如布氏硬度、洛氏硬度、维 氏硬度等) 、划痕法( 如莫氏硬度) 、回跳法( 如肖氏硬度) 及显微硬度、高温硬 度等多种方法。 针对封严涂层，多选用洛氏硬度。取若干涂层试样，测量表面洛氏硬度平均 值( h r 4 5 y ) ，然后置于高温炉中，升到所需温度，并在保温一定时间后取出空冷， 观察表面状况，再次测量表面洛氏硬度平均值。通过前后硬度的变化，分析涂层 材料在高温性能的变化原因。 2 ) 结合性能 曲刮削试验1 5 6 j 使用电子冲击刮削机( 由机械主机和电测量系统组成，见图1 - 2 ) ，冲击时，摆 锤从两试样中间通过，刀口刮削两试样端部的涂层。冲击刮削的冲击力和位移由 角位移传感器和载荷传感器测量，并经各自的位移放大器和载荷放大器放大，最 终送至计算机处理，结果由打印机输出。 在载荷位移曲线( 见图1 3 ) 的开始阶段，载荷随位移变化迅速上升。这是 由于刀口接触到试样的涂层后，尚未刮削而处于弹性变形阶段，这一段基本上为 线性。随着载荷的进一步增加，位移出现快速变化趋势，曲线出现转折，类似于 屈服，此点称为屈服载荷点，表示从此点开始涂层被刮削。随着刮削过程的进行， 载荷上升，直至出现最大点，此点称为最大载荷点：表示要使刮削继续进行，尚 需增加额外的力：最大点之后载荷出现持续下降，载荷下降到某点后，突降到零， 此点称突降点，表示在冲击过程中刀口开始离开试样。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 r o n s o u c e r1tr o n s d u 屯 2 ij o t o c m _ ll o o d a m p ( m f i 0 1 3a 呻t l r 11 z e r oi i m o f f f e r ( , r k e o o t oo d l r o t u ss j c o m d u | e r6 p r i n 培r7 ( a ) 主机结构( b ) 冲击刮削电测系统框图 图卜2 冲击刮削机 图1 - 3 冲击刮削载荷) - 位移( 由曲线 最大载荷点主要与涂层和基体的结合强度有关。情况严重时结合强度低到在 载荷位移曲线上不出现最大载荷点；其次与涂层的强度有关，涂层的韧性好、 强度高，最大载荷点则高。所以，最大载荷和屈服载荷综合表征了涂层与基体的 结合强度以及涂层的可磨耗性。一般而言，涂层的屈服点低、最大载荷点亦低， 则涂层的可磨耗性好。 b ) 热震性能试验 取若干涂层试样，置于已预先升温至预设温度的高温炉中，在保温一定时间 后取出空冷，观察表面状况。如此反复直至涂层出现翘起、剥落等破坏情况。其 循环次数在一定程度上表明了涂层的结合性能。 c ) 拉伸试验 拉伸试验是测定材料在拉伸载荷作用下的一系列特性的试验，又称抗拉试验。 它是材料力学性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准 和研究材料的性能。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 拉伸试验可测定材料的一系列强度指标和塑性指标。强度通常是指材料在外 力作用下抵抗产生弹性变形、塑性变形和断裂的能力。材料在承受拉伸载荷时， 当载荷不增加而仍继续发生明显塑性变形的现象叫做屈服。产生屈服时的应力， 称屈服点或称物理屈服强度；材料在断裂前所达到的最大应力值，称抗拉强度或 强度极限。 塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形而不致破坏的能力。常用的塑 性指标是伸长率和断面收缩率。伸长率是指材料试样受拉伸载荷拉断后，总伸长 度同原始长度比值的百分数。断面收缩率是指材料试样在受拉伸载荷拉断后，断 面缩小的面积同原截面面积比值的百分数。 根据涂层的喷涂材料选择合适吨位的拉伸试验机，按照工艺参数将涂层喷在 与拉伸试验机拉伸副等径的圆形基体上，再利用专门的工装夹具，将网形试片涂 层一侧、基体一侧使用劬胶与两拉伸副粘连之后，把制好的试样放到试验机上拉 伸。记录试样破坏时的载荷，并计算结合强度。 固体胶 图1 4 拉伸装置示意图 d ) 三点弯曲试验 三点弯曲试验是用来获得界面裂纹开裂时临界载荷的试验方法。对于涂层材 料，试样为一个由涂层和基体构成的复合梁( 如图1 5 ) 。在试样的涂层中部，使用 线切割割开一条贯穿涂层厚度方向的缺口，然后使用疲劳试验机在缺口根部开始 预制一条疲劳裂纹，该裂纹平行于界面且处在界面上。预制好疲劳裂纹后，将其 放置到万能材料试验机上进行三点弯曲试验，可通过c d d 照相机和图像采集器获 得实时的裂纹尖端附近的显微照片、确定临界载荷。通过各试样临界载荷的变化 趋势揭示涂层的结合性能。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图1 5 预制三点弯曲试样 e ) 奴氏印痕法【 首先将试样制备成奴氏印痕法测量所需的横截面样品。奴氏压头沿界面连续 加载、卸载，绘制载荷压头位移曲线，通过计算界面处形成新表面的表面能来确 定界面的结合性能，表面能越大，相应的结合强度越高。 3 ) 金相组织观察 为了能更清楚的在显微镜下观察金属内部显微组织，制备金相试样至关重 要。首先将涂层沿厚度方向切开，用镶嵌机热镶嵌，然后用金相砂纸逐级磨光。 研磨时注意方向应是由涂层向基体方向，这样可以避免涂层与基体的分离。最后 用2 5 1 a m 金刚石研磨膏机械抛光，抛光后用4 硝酸酒精进行腐蚀，腐蚀后拿到光 学显微镜下观察涂层试样的显微结构。 4 ) 差示扫描量热法i s 】 差示扫描量热法( d i f e r e n i t a ls c a n n i n gc a l o r i m e t r y ，简称d s c ) 是指按照一定程 序控制试样和参比物的温度变化，并将输入给两物质的热流差作为温度的函数进 行测量的技术。采用差示扫描量热仪进行涂层的d s c 曲线和t g a 曲线的测定，通 过d s c 曲线和t g a 曲线判定涂层的热稳定性。 1 4 2 实验方法选择 本文所研究的封严涂层厚度约为2 m m ，面层为聚苯酯铝硅( 相当于 m e t c 0 6 0 1 n s ，质量比为a i s i ：p o l y e s t e r = 3 ：2 ) ，底层为镍铝粉( 相当于m e t c 0 4 5 0 n s ， n i 5 a 1 ) 。使用拉伸试验测其结合性能，在拉伸试验中发现断裂部位为聚苯酯铝硅 的面层与镍铝粉底层的界面，因此主要观察金相组织中的聚苯酯铝硅面层与 n i 5 a i 底层随保温时间延长微观结构的变化，并对二者结合界面运用分形理论中 的分形维数进行分析。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 5 本文的研究内容及技术路线 目前国内不少航空维修企业喷涂的铝硅聚苯酯封严涂层存在结合强度差，在 使用过程中易脱落及封严涂层的硬度没有达到使用要求等问题。现已有研究试图 通过铝硅聚苯酯封严涂层等离子喷涂工艺参数的变化来改善封严涂层与基体材 料之间的综合性能。 本文针对用离子喷涂工艺获得的铝硅聚苯酯封严涂层进行热稳定性失效机 理分析。 由于本文所研究部件的涂层基本上一直处于3 0 0 的条件下工作，因此对制 得的涂层试样在3 0 0 下保温不同时间。经长时间加热处理后，涂层试样性能将 发生不同变化。观察涂层试样的组织、结合界面的变化，在此基础上分析其热失 效机理。 天津大学硕士学位论文第二章可磨耗封严涂层试样制备 第二章可磨耗封严涂层试样制备 2 1 可磨耗涂层制备 2 1 1 可磨耗封严涂层简述 所谓“可磨耗封严涂层”是指压缩气体或液体的高速旋转机械( 如压气机、燃 气轮机等) 的旋转叶片与壳体之间为了获得理想的间隙控制而应用的涂层，它可 以得到最大的流体动力压差，从而提高整机效率，降低能耗，简化气路密封结构 设计，延长使用寿命。可磨耗封严涂层一般是在压气涡壳内表面制备的耐高温、 抗氧化、质软多孔，能与压气机尖部硬质涂层形成一对可磨损的涂层，在运行过 程中能形成理想的颈项气流间隙，获得最大的压差，从而提高发动机功率。可磨 耗封严涂层具有耐高温、抗氧化、结合好、质软( 一般表面硬度为5 0 8 0 h r l 5 y ) 、 多孔( 气孔率2 5 3 0 ) 、抗高温气流冲蚀等特点。 本文研究的可磨耗封严涂层，其使用部位为航空发动机机壳。该涂层的工艺 改进也如上所所述，是基于提高热效率、降低能耗、延长使用寿命的目的。对于 可磨耗封严涂层，既要求涂层具有一定的耐冲蚀性能，又要求具有一定的耐磨耗 性，这两方面的性能要求都是越高越好。但是，耐冲蚀性能与耐磨耗性又是相互 矛盾的。如果使涂层的耐冲蚀性能提高的话，势必会提高涂层在硬度、强度方面 的性能指标，这样一来，涂层的耐磨耗性能便下降了；同理，如果增强涂层的耐 磨耗性能，那么，涂层会变得更软，硬度、强度方面的性能指标会下降，其耐冲 蚀性能也会随之下降。因此，对于可磨耗涂层在耐冲蚀性能与耐磨耗性能方面的 要求必须综合考虑，强调任一方面都会使另一方面的性能下降。进行工艺改进时， 在满足涂层相关性能指标要求的同时，必须使两相矛盾的性能在某种程度上达到 综合平衡，并力图使二者达到最佳性能匹配。 2 1 2 封严涂层粉料的选择 对于喷涂工艺的确定，首先应该是根据喷涂涂层的功能、用途，确定粉料的 选择。 封严涂层所使用的粉料如第一章所述，有a 1 s i 聚酯涂料、铝合金石墨涂料、 n i 石墨涂料、n i c r - f e a i 氮化硼涂料、n i c a 1 膨润土涂料、n i a l 涂料等多种 粉系可供选择。根据对喷涂在发动机机壳上的封严涂层的性能要求，即既具有一 天津大学硕士学位论文第二章可磨耗封严涂层试样制备 定的可磨耗性，又具有一定的耐冲蚀性，封严涂层大多由一定比例的金属相和具 有自润滑作用的非金属的复合材料组成，其中还有较多的孔洞【9 】。要求涂层较软， 使叶尖容易刮削涂层而不损伤叶片，即有好的可磨耗性，同时还要求涂层有一定 的硬度能抵抗发动机中高速气流及其固体粒子的冲刷，即要求有好的抗冲蚀 性。此外，还要求涂层有好的结合强度【l 0 1 。 该涂层使用温度为3 0 0 ，可归为中温封严涂层。对于中温封严涂层粉料，使 用较多的是美国m e t c o 公司生产的m e t c 0 3 0 7 镍包石墨( g ) 、m e t c o ( 3 1 0 ) 、m e t c o ( 3 1 3 ) 铝硅石墨和m e t c o ( 6 0 1 ) 铝硅聚苯酯( 分别简称m 3 0 7 、m 3 1 0 、m 3 1 3 和 m 6 0 1 ) ，同时也可选用仿制粉料。 在聚苯酯的分子结构中，氢原子的数目比主链中碳原子的数目少，而且所有 原子的n 电子都能实现共轭结构，整个分子排列在同一平面上，因此具有极好的 稳定性。聚苯酯可在3 0 0 下长期使用，短期使用温度可高达3 7 0 - - 4 2 5 。据称它 是目前所有已知高分子材料中热稳定性、热容量、自润滑性、硬度、电绝缘性、 耐磨耗性等综合性能最好的品种】。因此，该涂层的粉料选用聚苯酯铝硅 ( m e t c 0 6 0 1 n s ) ，其中的聚苯酯使涂层具有润滑作用，而a l 、s i 使涂层具有一定的 硬度，可耐冲蚀。 由于聚苯酯铝硅涂层与金属基体二者的热膨胀系数不同，而且相差很大，所 以在冷热交变作用下，涂层与基体之间会产生应力，从而影响结合力。但在喷涂 工艺设用计上，可以通过喷涂中间层( 如镍包铝) 来缓冲界面应力i l 刭，并可以起 到粘结作用。 综上所述，本文选用的封严涂层粉料为：面层为聚苯酯铝硅( 相当于 m e t c 0 6 0 1 n s ，质量比为a i s i ：p o l y e s t e r = 3 ：2 ) ，底层为镍铝粉( 相当于m e t c 0 4 5 0 n s ， n i 5 a i ) 。 2 1 3 喷涂工艺参数确定 本文研究的涂层要求厚度约为2 r a m ，确定使用粉料面层为聚苯酯铝硅( 相当 于m e t c 0 6 0 1 n s ，质量比a i s i ：p o l y e s t e r = 3 ：2 ，粉末形态如图2 1 ( a ) ) ，底层为镍铝 粉( 相当于m e t c 0 4 5 0 n s ，n i 5 a i ，粉末形态如图2 1 ( b ) ) ，基体为普碳钢( q 2 3 5 b ) 。 涂层喷涂方法采用等离子喷涂，功率4 0 k w 。喷涂工艺参数的改变对制得涂 层的性能有较大影响。经反复试验，确定了喷涂工艺参数( 见表2 1 ) 。 天津太学硕士学位论文第二章可磨耗封严涂层试样制备 ( a ) 粜苯豳锚硅粉禾 图2 - i 封严滁层粉料 f b l n i s a i 粉币 表2 - 1 封严稼层喷瓣工艺参数 涂层 喷潍电流 喷淙电压 喷涂距离 喷涂速度 进粉量 底层7 6 0 4 0 一2 8 5 4 5 03 5 面层7 9 04 2 - - 4 4j 0 02 4 01 2 2 2 喷涂工艺参数检验 按照标准q s x k 8 - - 8 5 等离子喷涂聚苯酯铝硅封严涂层质量检验标 准，主要对涂层进行了下列方面的试验： 1 1 封严涂层外观 如图2 2 所示，喷涂制得的封严涂层完整，为均匀的灰色涂层，表面无裂纹 剥落加工后有金属光洋。 图2 - 2 涂层外现 天津大学硕士学位论文第二苹可磨耗封严涂层试样制备 2 ) 涂层与基体的结合强度 经拉伸试验测试( 见图l _ 4 ) ，涂层的结合强度满足要求，为45 69 m p a ( 见 袁2 2 ) 。 表2 - 2 封严涂层结合强度 3 ) 面层硬度测试 在制得椽层的面层测试其洛氏硬度共取五个测试点( 图2 3 ) 取其平均 值作为面层硬度，该硬度值如表2 3 所示。其硬度值符合要求h r l 5 y 4 5 7 5 。 图2 3 而层硬度测试点 表2 - 3 而层硬度值h r i5 y 表面硬度点 4 1 金相组织 观察喷涂后试样的涂层断面组织涂层组织与基体结合处无气孔、裂纹。各 项指标均满足标准要求，放该工艺合格，其具体喷涂工艺参数如表2 1 所示。 按照表2 - i 的工艺参数进行喷涂，面层、底层涂层形貌如图2 - 4 所示。制得 试样后，其涂层宏观形貌如图2 - 5 示。喷涂获得的试件沿厚度方向断面的微观形 貌如图2 - 6 所示。从图2 - 6 的断面扫描电镜( s e m ) 照片可以见，按照表2 - 1 的喷 涂工艺参数所获得的涂层在厚度方向上有明显的分层界面。 天津大学硕i 学位论文第二章可磨耗封严涂层试样制备 ( 时聚苯醋铝硅面层0 ) n i s a l 底层 图2 4 采用表2 - i 工艺参数喷涂的面层，底层微观形貌 图2 - 5 制得的涂层左观形貌 = ：= = ：= 曼，：= ? t t # * $ e m 图2 - 6 封严喷涂试件厚度方向断面微观形虢 天津大学硕十学位论文第二章可磨耗封严涂层试样制备 2 3 本章小结 在本章中确定了封严涂层所用粉料、喷涂工艺参数( 见表2 1 ) ，并按照相关 标准经实验验证工艺参数符合相关要求。按照确定的工艺参数制备涂层试样将在 下一章中进行介绍。 天津大学硕 ：学位论文第三章热稳定性实验及界面分形特征 第三章热稳定性实验及界面分形特征 3 1 热稳定性实验试样制备 3 1 1 涂层试样制备 在科研、实验中，常常借助于光学显微镜、扫描电镜等对材料进行显微分析 和检测，以控制材料的组织和性能。在进行显微分析前，首先必须制备金相试样， 若试样制备不当，就不能看到真实的组织，也就得不到准确的结论。试样制备成 功与否关系到后面的实验能否顺利进行。 3 1 1 1 试样准备 按照工艺参数制得涂层后，将其切成小块放置于加热炉中加热，在3 0 0 保 温，保温时间依次为3 6 h 、7 2 h 、1 0 8 h 、1 4 4 h 、1 8 0 h 、2 5 2 h 、3 0 0 h ，并对各试样 依次编号l 7 。 3 1 1 2 金相试样制备 金相试样的制备包括取样、镶嵌、磨制、抛光、侵蚀等工序。 ( 1 ) 取样 取样是制备试样的第一道工序，考虑到镶样机的对样品尺寸的要求，将按工 艺参数喷涂制得涂层使用线切割机切成1 0 m mx5 m m 大小的长方形小块。 ( 2 ) 镶嵌 镶嵌是指使用镶样机将尺寸较小或形状不规则的样品制成方便手持磨制的 圆柱形试样块。 本实验选用x q 2 b 型镶样机，所用的镶样材料为酚醛树脂。镶样时，首先 是放置样品，注意要将涂层在厚度方向的某一断面，即要磨制的一侧与样晶台接 触，然后，倒入适量的粉料，样品放好之后转动手轮加压，压力是否足够由警示 灯提醒。该镶样机工作时，在适当的压力和1 3 5 的温度下，酚醛树脂熔融固化， 完成样品的镶嵌。镶嵌完成后得到直径约2 2 m m 、具有一定高度的圆柱体试样。 ( 3 ) 磨制 磨制是试样制备最为关键的一步，除使试样表面平整外，主要是尽量减少组织 损伤 1 3 】。水砂纸选用8 0 # 、1 8 0 # 、3 2 0 # 、8 0 0 # 、1 2 0 0 # ，首先使用粗砂纸进行粗磨， 粗磨后细磨，磨时将砂纸放在玻璃板上，手持试样单方向向前推磨，用力均匀， 天津大学硕士学位论文第三章热稳定性实验及界面分形特征 不宜过重。在一张砂纸上要始终朝一个方向磨，磨制方向如图3 1 所示，即涂层 一侧始终在上，每一次换砂纸都必须将试样清洗干净，不允许把上道工序的残留 磨料带到下道工序去，经过这样磨光的试样，肉眼观察非常光滑，表面磨痕方向 一致即可。 图3 1 金相磨制方向示意图 涂层 基体 ( 4 ) 抛光 磨制完成后便要进行抛光，手持试样在抛光机上抛光。抛光时间不宜过长， 以磨痕全部消除呈镜面即可停止【1 4 】，清洗干燥后进行最后一步：侵蚀。 ( 5 ) 侵蚀 抛光后的表面在侵蚀前应该保持清洁，无水迹和油污，本实验中选用4 硝 酸酒精溶液作为腐蚀液。进行侵蚀操作时，使侵蚀液均匀侵蚀样品表面，一般侵 蚀到表面稍微发暗即可。侵蚀好的样品应立即用水冲洗干净，干燥后即可进行金 相观察。 经过以上五步，涂层的金相试样的制备完成。之后，将试样拿到显微镜下观 察组织，在扫描电镜下观察涂层厚度方向断面形貌特征。