某型艦輔汽輪機轉子汽封軸頸磨損改性修復及其摩擦磨損性能研究

蘇新勇，劉基凱，楊秀紅

(青島前進船廠，山東青島 266001)

某型艦自2006年10月服役以來，部分輔汽輪機轉子汽封軸頸存在磨損嚴重、原鍍鉻層脫落等現象，造成密封失效。汽輪輔機是以蒸汽為動力吹動汽輪機轉子葉片來實現做功，蒸汽做功后剩余的廢汽則通過廢汽管排出。為了防止蒸汽從機體內泄漏出來，在汽輪機轉子靠近葉輪處設置了汽封。理想狀態下，炭精密封環與軸頸有一定的間隙，炭環與軸頸的冷態直徑間隙為0.05～0.10 mm。但在實際運行中，汽輪機轉子在轉動的過程中會有一定的跳動量，轉子軸頸和炭精密封環總是有摩擦的，并導致軸頸表面磨損，間隙增大，蒸汽泄漏，影響整機運行的技戰術性能。基于這一情況，為提高汽封軸頸表面的耐磨耐腐性，生產廠家在新品制造時，對汽封軸頸表面采取了電鍍硬鉻的強化處理措施。但經運行實踐檢驗，電鍍硬鉻層難以滿足該工況要求。而采用超音速火焰噴涂技術制備WC－12Co功能涂層，對原設計為電鍍硬鉻的表面進行改性修復，取得了十分滿意的效果。

1 試驗條件及研究方法

1.1 試件加工及涂層制備

按GB/T 12444－2006《金屬材料 磨損試驗方法試環－試塊滑動磨損試驗》制備試環和試塊。

試環基體材料為45#鋼，采用KY－HVO/AF多功能超音速火焰噴涂系統在外環面制備WC－12Co涂層，噴涂工藝參數如表1所示，制備的涂層經金剛石砂輪磨削后厚度為0.35 mm。對比試環基體材料為45#鋼，外環面電鍍硬鉻磨削后鍍層厚度為0.15mm。試塊材質為炭精 (與實艦使用的密封環材質相同)，試環和對比試環各2件，試塊4件。

表1 多功能超音速火焰噴涂WC－12Co涂層工藝參數

1.2 試驗方法

1)試驗設備。采用MRH－3型數顯式高速環塊磨損試驗機進行試環－試塊滑動磨損試驗;采用精度為0.1 mg的Fa－1104電子分析天平對試驗前后的試環和對比試環稱重;采用XJP－6/6A金相顯微鏡觀察WC－12Co涂層截面形貌;采用HVS－1000型數字顯微硬度計測定WC－12Co涂層顯微硬度，測試載荷為300 g。

2)試驗方法。磨損試驗采用干摩擦磨損方式，試驗原理如圖1所示。設定試環轉速為1 400 r/min，試塊保持靜止。試驗中載荷為20 N和100 N，每間隔1 min記錄一次摩擦力的大小。

圖1 試驗中摩擦副接觸示意圖

根據如下公式計算摩擦因數:

式中，f為摩擦力大小，N;F為載荷大小，N。

對試環和對比試環分別進行上述干摩擦試驗。在磨損試驗前后，將試環先用三氯乙烷，再用甲醇清洗，清洗后在60℃下進行2 h烘干，放入干燥器中，2 h后立即進行稱重。

2 試驗結果及討論

2.1 涂層組織及硬度

圖2為WC－12Co涂層的截面形貌。由圖2可見，制備的涂層無明顯裂紋、孔洞等缺陷，涂層與基體結合良好，界面無明顯缺陷。表2為WC－12Co涂層和電鍍硬鉻的顯微硬度測試結果。由表可知，WC－12Co涂層的平均顯微硬度是電鍍硬鉻的1.5倍以上。這是因為超音速火焰噴涂射流速度較高，顆粒具有較高的飛行速度和較低的火焰溫度，在噴涂過程中能有效抑制WC的分解，提高了涂層的硬度，與電鍍硬鉻相比，WC－12Co涂層抗疲勞強度性能更優。

圖2 WC－12Co涂層截面形貌

表2 顯微硬度測試結果 HV0.3

2.2 磨損量

表3為試環磨損失質量和試塊體積磨損量，由表3可知，載荷為20 N時，經1.5 h摩擦磨損后，電鍍硬鉻試環的磨損失質量為WC－12Co涂層3倍，試塊的磨痕體積相差不多;載荷為100 N時，經1.5 h摩擦磨損試驗后，電鍍硬鉻試環的磨損失質量為WC－12Co涂層的4倍，試塊磨痕體積差別較大。

表3 摩擦磨損試驗結果

由此可見，與電鍍硬鉻相比，超音速火焰噴涂WC－12Co涂層的耐磨性明顯優于電鍍硬鉻層，這主要是因為WC－12Co涂層由粘結相Co和硬質相WC組成，軟的粘結相容易被切削，而涂層中的WC硬質陶瓷相可抵抗摩擦過程中的微切削作用。此外，超音速火焰噴涂具有較低的火焰溫度和較高的焰流速度，因而涂層致密，不易造成應力集中，減少了涂層層片整體剝落的可能性，涂層磨損質量損失較小。

2.3 磨損表面形貌

圖3為載荷100 N，時間為1.5 h的試驗條件下，WC－12Co涂層和電鍍硬鉻摩擦試驗后照片，由圖3(a)可以看出，WC－12Co涂層表面存在粒子剝落，未出現大面積剝落，由此引起的劃痕較淺，表明WC－Co涂層與炭精摩擦時以接觸疲勞為主，伴隨輕微的磨粒磨損;由圖3(b)可以看出，電鍍硬鉻表面產生較深犁溝并存在大面積剝落現象，表明電鍍硬鉻與炭精接觸摩擦形成兩體磨粒磨損。在磨損過程中，試環受到炭精試塊正壓力的持續作用，損失質量逐漸增大;在磨粒磨損過程中，WC－12Co涂層硬度高，可以顯著阻擋炭精對其產生切削作用，而電鍍硬鉻硬度較低，因此在磨削過程中，電鍍硬鉻的質量損失明顯高于WC－12Co涂層的質量損失。

圖3 試環磨粒磨損后照片

2.4 摩擦因數

圖4為載荷為20 N和100 N時WC－12Co涂層與電鍍硬鉻層摩擦因數隨時間變化關系。從曲線可以看出，載荷為20 N時摩擦磨損過程經過2個階段，在10 min內摩擦因數迅速增加并穩定在一定范圍 (WC－12Co涂層摩擦因數穩定在0.15左右;電鍍硬鉻層摩擦因數穩定在0.26左右)。這主要是因為WC－12Co涂層中的粘結相Co硬度較低，與炭精摩擦過程中容易發生塑性變形，炭精顆粒壓入涂層表面產生犁削作用，同時摩擦副兩個相互接觸表面較為不平整，存在某些突峰或較大的形貌起伏，摩擦過程的前10 min內需先將這些不平整部位磨平，因此摩擦因數迅速增加;10min后由于兩個相互接觸表面相對磨平，同時磨損產生的部分粉末進入摩擦副，起到一定的潤滑作用，磨損程度減小，摩擦因數也趨于穩定，但因摩擦副中炭精硬度很低，摩擦過程中隨著磨損量的增加，表面磨痕加深，接觸面積增大，因此造成摩擦力逐漸增大，從曲線上看即為摩擦因數略有增大;穩定后WC－12Co涂層的摩擦因數遠小于電鍍硬鉻，這對摩擦條件下延長涂層的使用壽命有利。

圖4 不同載荷下WC－12Co涂層和電鍍硬鉻層摩擦因數隨時間變化關系

載荷為100 N時WC－12Co涂層與電鍍硬鉻層干摩擦磨損過程都分為3個階段。摩擦因數先增大再減小，最后趨于穩定。WC－12Co涂層摩擦因數20 min后趨于穩定，電鍍硬鉻層摩擦因數30 min后趨于穩定。這主要是因為WC－12Co涂層中硬度較高的陶瓷相WC和軟的粘結相Co，能夠較快地與炭精完成磨合，進入穩定磨損階段。從曲線還可以看出，WC－12Co涂層趨于穩定后摩擦因數在0.35左右，幾乎保持穩定不變，而電鍍硬鉻層的摩擦因數波動范圍較大。這也表明在穩定磨損階段WC－12Co涂層比電鍍硬鉻更有利于延長涂層的使用壽命。

3 典型應用實例

某艦于2010年進行首次塢修，維修中發現，該艦輔汽輪機5臺給水泵汽輪機轉子和3臺鼓風機轉子的汽封軸頸表面磨損嚴重，原鍍鉻層發生脫落、基材出現麻點狀腐蝕凹坑導致汽封面失效，經專家組討論通過，決定采用自主開放的“超音速火焰噴涂取代電鍍硬鉻技術”，對該艦汽輪機轉子進行改性修復，取得了十分滿意的效果，解決了工程中的燃眉之急。該成果填補了海軍裝備維修保障領域的空白，技術水平國內領先，用于改性修復汽輪機轉子汽封軸頸，可大大提高汽輪機轉子的技戰術性能，從而延長其使用壽命。

4 結論

1)采用超音速火焰噴涂WC－12Co涂層硬度均值為1 188 HV0.3，為電鍍硬鉻層硬度的1.5倍以上，表明該涂層的抗疲勞強度性能更優。

2)在時間為1.5 h，載荷為20 N和100 N的試驗條件下，電鍍硬鉻層摩擦磨損質量損失分別為WC－12Co涂層的3倍和4倍，這表明WC－12Co涂層的耐磨性能明顯優于電鍍硬鉻鍍層。

3)與電鍍硬鉻相比，超音速火焰噴涂制備的WC－12Co涂層能縮短磨合時間，較快地進入穩定磨損階段，該階段WC－12Co涂層摩擦因數低，波動范圍小，更有利于摩擦狀態下延長涂層的使用壽命。

4)首次采用超音速火焰噴涂技術制備WC－12Co涂層對某型艦輔汽輪機轉子汽封軸頸進行了改性修復，是新技術在新裝備維修保障領域成功應用的典范，同時也為其他艦艇重要裝備技術保障提供新依據、新經驗。

［1］徐濱士.表面工程與維修［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［2］蘇新勇，查柏林，等.中國海軍科技報告:基于超音速火焰噴涂 (HVOF)取代電鍍硬鉻 (EHC)的艦艇裝備維修技術研究 ［D］.解放軍第四八零八工廠，2007.