金屬所航空發動機封嚴塗層與葉片極端工況下摩擦學行為研究獲進展 

   文章來源：金屬研究所    發布時間：2017-10-20  

封嚴塗層廣泛應用於航空發動機風扇、壓氣機和渦輪，起到保護轉動部件，減小間隙和提高效率的作用。以一台典型的渦扇發動機為例，高壓渦輪與機匣間隙每減少0.254mm，渦輪效率提高約1%；壓氣機的徑向間隙每增加0.076mm，單位耗油率增加約1%。由於應用工況的特殊性，高速（百米/秒）、高溫（1000°C）和斷續刮擦，封嚴塗層與葉片這一摩擦副的摩擦學行為缺乏系統研究，導致實際應用中出現葉片磨損、塗層材料粘附葉片等威脅發動機運行安全的問題；封嚴塗層的設計、製備和應用也缺乏必要的理論指導和數據支撐。 　　

中國科學院金屬研究所專用材料與器件研究部的空間熱控器件與材料摩擦學課題組在國內率先開展這方面的研究，自主設計建造了國內首台模擬封嚴塗層與葉片極端工況下摩擦磨損行為的試驗機，後期又陸續研發了升級版的二代、三代試驗機。 　　

近日，金屬所研究員段德莉等研究發現，Al-hBN塗層向葉片的粘附轉移與應用工況條件密切相關，低單次切入量和高線速度時粘附最嚴重。通過對葉尖上塗層粘附層與原始塗層的對比表徵分析，發現高速刮擦時強烈的摩擦熱導致塗層中金屬相Al發生熔融，在刮擦作用下向葉尖粘附是材料轉移的機理。進一步對CuAl-Nig塗層與GH4169葉片摩擦副的研究，復現了發動機實際服役中常見的葉片剪切唇現象，發現高線速度和低進給率時葉片磨損最為嚴重，剪切唇體積最大。通過對葉片剪切唇的組織演化表徵研究，基於高速斷續刮擦的特點，聯繫高速摩擦熱在摩擦副雙方的分配與傳導，提出了剪切唇的形成機理。研究人員對各種單個塗層研究工作的總結分析中，認識到摩擦熱在高速摩擦磨損時對材料摩擦學行為的影響。科研人員建立了高速刮擦中的一維熱傳導模型，發現對摩副材料的熱物性能對接觸區域的溫升速率有重要影響，導致塗層粘附葉片或葉片磨損的摩擦學行為。相關研究結果發表在Wear和Friction上。 　

　研究工作得到了國家自然科學基金、中航工業APTD、中航工業創新基金、中科院院級科研裝備和修購專項等的支持。 　　GH4169葉片高速刮擦中形成剪切唇的過程（a,b,c），典型剪切唇結構（d）和對摩封嚴塗層中形成的轉移層（e）