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航空发动机高温固体润滑涂层材料的制备与性能研究
张甜甜
学位类型博士
导师张伟刚
2017-07
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点北京
学位专业材料学
关键词Nicocraly-cr2o3-ag涂层 Nicocraly-cr2o3-agmo涂层 等离子喷涂 氧化腐蚀 摩擦磨损 热应力
摘要

目前先进航空发动机的高压压气机和低压涡轮部位采用刷式封严结构,由于刷式封严的主要部件刷丝需要在高温燃气条件下与高速运转的转子轴表面摩擦接触,因此为了降低刷丝与转子轴表面的磨损,通常利用热喷涂技术在转子轴表面制备一层高温自润滑耐磨涂层。由于使役环境恶劣,该涂层不仅要具有宽温域自润滑减摩耐磨效果,还应该具备良好的高温抗氧化、耐熔盐腐蚀、耐热循环等性能。本论文采用化学还原、化学镀、离心喷雾造粒以及固态合金化技术制备了Ag、Ag-Mo、CoNiCrAlY-Cr2O3以及NiCoCrAlY-Cr2O3四种粉体,并采用等离子喷涂技术制备了CoNiCrAlY-Cr2O3、NiCoCrAlY-Cr2O3、NiCoCrAlY-Cr2O3-Ag以及NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo四种复合涂层,对复合涂层的结构以及性能进行了系统研究,揭示了复合涂层在苛刻环境条件下的结构与性能变化规律及相关作用机理。主要研究内容和结果如下:(1)对等离子喷涂CoNiCrAlY-Cr2O3和NiCoCrAlY-Cr2O3复合涂层的摩擦磨损性能、抗氧化性和抗熔盐腐蚀性能进行了研究。摩擦磨损结果表明:随着温度的上升,两种涂层的摩擦系数均呈下降趋势。600℃以下,CoNiCrAlY-Cr2O3涂层的摩擦系数略低于NiCoCrAlY-Cr2O3涂层;600℃以上,两种涂层的摩擦系数相差不大。涂层的磨损量均在10-5mm3/Nm数量级。涂层的氧化实验表明:在800℃下,NiCoCrAlY-Cr2O3涂层的抗氧化性略优于CoNiCrAlY-Cr2O3涂层。对两种涂层进行氧化动力学分析,其氧化动力学曲线分为大斜率直线、抛物线和小斜率直线三个阶段,涂层均具有较好的抗氧化性能。氧化后表面生成的尖晶石氧化物以及涂层中沉积的Cr2O3对涂层起到了保护作用。熔盐腐蚀实验表明:由于Co·Co3S2比Ni·Ni3S2共晶体在800℃下相对稳定,并且Co基合金具有更好的耐S腐蚀性能,因此CoNiCrAlY-Cr2O3涂层的抗熔盐腐蚀性能优于NiCoCrAlY-Cr2O3涂层。(2)研究了Ag膜在硬质基体表面的润滑性能,发现Ag膜在常温下的摩擦系数仅有0.2。以Ag为润滑剂,采用等离子喷涂技术制备了NiCoCrAlY-Cr2O3、NiCoCrAlY-Cr2O3-10Ag以及NiCoCrAlY-Cr2O3-30Ag三种复合涂层,涂层结构致密,孔隙率都在2.5%左右。NiCoCrAlY-Cr2O3涂层的显微硬度约为650HV0.2。随着Ag的加入,涂层的显微硬度降低,但是结合强度有所提高。NiCoCrAlY-Cr2O3-30Ag涂层的结合强度达到53MPa,比NiCoCrAlY-Cr2O3提高了17MPa。涂层的摩擦磨损性能表明:与NiCoCrAlY-Cr2O3涂层相比,加入10%Ag后,涂层的摩擦系数从室温到800℃有所降低,在600℃达到最低值0.3。当加入30%Ag时,涂层在高温下的摩擦系数和磨损量都显著增高。摩擦机理分析表明:低温下,Ag在涂层表面铺展成膜发挥润滑作用;高温下,Ag扩散到表面并发生熔融软化,过量的Ag造成涂层严重的黏着磨损和塑性变形。涂层的热循环及氧化实验表明:加入Ag后,涂层的抗热震性能提高,但是氧化增重略高于NiCoCrAlY-Cr2O3涂层。(3)以Ag-Mo作为复合固体润滑剂,采用等离子喷涂制备了NiCoCrAlY-Cr2O3-10AgMo和NiCoCrAlY-Cr2O3-15AgMo两种复合涂层。两种涂层的显微硬度均约为600HV0.2。涂层的结合强度分别为42±2MPa以及45±5MPa。涂层的摩擦磨损性能表明:加入Ag-Mo复合固体润滑剂的涂层从室温到800℃内具有优异的润滑性能,在800℃摩擦系数仅有0.3左右。磨损量从室温到800℃都保持在10-5mm3/Nm数量级。600℃以上,摩擦表面生成的NiMoO4和Ag2MoO4化合物有效降低了涂层的摩擦磨损。此外,较高的载荷会促进Ag,Mo与O2反应生成Ag2MoO4润滑膜的过程,并有助于压实磨屑形成保护性釉质层,提高涂层润滑耐磨性能。(4)用冷等静压和高温烧结法制备了Ag-Mo复合材料,测试并分析了材料的摩擦磨损性能和润滑机理。结果发现:低温下,铺展在摩擦表面的Ag膜起到润滑作用;高温下摩擦表面生成的一系列低熔点钼酸银化合物降低了涂层的摩擦磨损。通过对Ag-Mo-O2固相反应机理的研究,建立了Ag-Mo-O2三元体系生成Ag2MoO4的固相反应模型。研究发现:Ag2MoO4在空气气氛下1000℃以内不分解也不挥发,并且对NiCoCrAlY-Cr2O3涂层具有良好的润湿性。 (5)有限元模拟计算表明:涂层的弹性模量越高,热膨胀系数越小,封严层与粘结层之间的应力梯度越大,在热循环过程中封严涂层越容易产生裂纹并脱落。在涂层中加入Ag可使弹性模量降低34%,改善涂层与基体热膨胀系数的匹配性,从而提高涂层的抗热震性能。

语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/24327
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
张甜甜. 航空发动机高温固体润滑涂层材料的制备与性能研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2017.
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