鹽霧腐蝕對銅鋁鎳石墨封嚴涂層可磨耗行為的影響

康軍衛 張佳平 宋佳

摘 要：本文通過中性鹽霧試驗以及電化學分析技術研究了銅鋁/鎳石墨封嚴涂層的腐蝕行為和腐蝕機制，中性鹽霧腐蝕后銅鋁/鎳石墨顯示出明顯的腐蝕跡象，表面形成大量的腐蝕產物。通過對涂層的宏觀形貌、顯微組織、結合強度等性能進行測試分析，掌握了銅鋁/鎳石墨封嚴涂層鹽霧腐蝕后的性能衰變特征。利用高速刮擦試驗機模擬高壓壓氣機葉片與封嚴涂層的刮擦行為，研究了噴涂態以及腐蝕態的銅鋁/鎳石墨封嚴涂層與高溫合金模擬葉片試件的磨損行為。結果表明：在高速刮削條件下，噴涂態以及腐蝕態的銅鋁/鎳石墨封嚴涂層與高溫合金葉片的磨損機制為涂層剝落和葉片氧化磨損機制。高溫合金葉片與腐蝕態的銅鋁/鎳石墨封嚴涂層對磨后，涂層表面狀態惡化，涂層更容易剝落，葉片磨損情況變化不大。

關鍵詞：封嚴涂層；腐蝕行為；刮削機制

中圖分類號：TG17 文獻標志碼：A

0 引言

銅鋁/鎳石墨涂層為適用于500℃以下的可磨耗封嚴涂層，主要應用于我國軍用航空發動機高壓壓氣機部位的氣路封嚴，其在海洋環境下的腐蝕行為以及與轉子葉片的可磨耗行為方面均影響發動機效率，同時對發動機的運行安全有著重要影響。目前，銅鋁/鎳石墨封嚴涂層腐蝕行為的研究以及銅鋁/鎳石墨封嚴涂層與高溫合金轉子葉片相容性方面，國內外相關研究較少，國外未見公開報道，國內僅有少量文獻發表。所以本文針對目前發動機上使用的銅鋁/鎳石墨封嚴涂層，通過中性鹽霧試驗以及電化學分析技術開展涂層腐蝕行為研究。采用能夠模擬發動機服役條件的高速刮削試驗機進行高速刮削試驗，通過表面磨損形貌、可磨耗性計算等進行可磨耗行為研究。結合銅鋁/鎳石墨封嚴涂層金相組織、結合強度和硬度等性能，有效評價海洋環境下銅鋁/鎳石墨封嚴涂層的腐蝕性能以及發動機運行時其與轉子葉片的磨損性能，滿足封嚴涂層的安全應用的需要。

1 實驗

1.1 實驗材料

銅鋁/鎳石墨涂層的噴涂材料為混合型及團聚型兩種噴涂粉末。

1.2 實驗設備、條件

Metco 9M等離子噴涂設備、HP-6K火焰噴涂設備、自制高速刮擦式摩擦磨損試驗機、萬能拉伸試驗機、電化學工作站等。

2 實驗結果及討論

2.1 鹽霧腐蝕實驗

2.1.1 腐蝕后宏觀形貌

噴涂態和腐蝕態的CuAl/NiC涂層的截面形貌中白色較亮部分為金屬相，是封嚴涂層中的金屬骨架，主要提供涂層所需的強度，灰色部分為石墨固體潤滑相，起到潤滑、減摩的作用，模糊的黑色區域為孔洞。根據涂層截面形貌可以看出，腐蝕后CuAl/NiC涂層中孔隙尺寸變大，CuAl-NiC涂層體系因發生了Al相的選擇性腐蝕，表面失去了金屬光澤，金屬相受到腐蝕變為灰黑色腐蝕相，金屬粒子邊緣溶解?？梢灶A測，腐蝕環境會使封嚴涂層的內部結構受到破壞，將會使封嚴涂層的結合強度下降以及抗沖蝕性能下降，使封嚴涂層在使用過程中容易發生大塊剝落，導致涂層作用失效。

2.1.2 結合強度檢測

封嚴涂層腐蝕過程中，涂層結構受到腐蝕破壞，內部結合強度降低，涂層可磨耗性得到提升，抗沖蝕性能的下降。為了更好的評價封嚴涂層的使役性能，還需要考慮腐蝕對涂層與基體的結合強度的影響。采用萬能拉伸試驗機，對封嚴涂層的結合強度試片進行了拉伸試驗，拉伸速率1mm/s，按照HB20035進行測試。分別將不同腐蝕時間下的試樣進行三次重復試驗。結合力測試結果為（1.22 MPa～6.7MPa）。

2.1.3 CuAl/NiC涂層體系極化行為研究

用電化學開路電位法測量涂層體系中的腐蝕趨勢，由開路電位變化趨勢可知，NiAl的開路電位始終低于CuAl/NiC，理論上，若腐蝕介質到達底層和表層界面處，封嚴涂層的底層作為陽極優先發生溶解。

電化學動電位掃描法測量涂層體系中單獨兩種涂層的腐蝕速度，理論上實際使用過程中，封嚴涂層體系的黏結底層作為陽極優先發生溶解，由于中間層的電位較表層的更負，即使腐蝕介質到達了二者的界面處，表層所受到的腐蝕破壞很小。

綜合CuAl/NiC的腐蝕性能分析，涂層腐蝕時，理論上中間層NiAl優先腐蝕。實際情況是腐蝕介質未到達中間層和表層的結合界面處，表層CuAl/NiC優先腐蝕，并覆蓋Ni/Cu的腐蝕產物。當腐蝕時間增加，腐蝕介質滲入中間層和表層的界面，引起層間的電化學腐蝕行為，造成層間界面結合強度下降，會發生連接層破壞這種嚴重的破壞形式。

2.2 涂層與葉片的高速刮擦試驗

2.2.1 噴涂態銅鋁/鎳石墨涂層與高溫合金葉片刮擦的磨損機制

線速度300 m/s、進給速度0.015 m/s下，涂層表面的能譜結果顯示其含有Al、O、N和Si元素，但無Ti元素含量，說明在此高速刮擦試驗條件下葉片材料沒有向涂層發生轉移。即此時涂層的磨損機制為涂層剝落和葉片刮磨涂層形成刮削犁溝。刮擦后葉片端面部分區域黏附Al/BN涂層，根據側面黏附涂層的高度可見，黏附涂層高度接近1mm，未黏結涂層區域仍為葉片基體材料，表面基本無磨損現象。葉片表面黏附涂層表面的能譜顯示其含有Al、O、N和Si元素，為涂層成分。

2.2.2 腐蝕態銅鋁/鎳石墨涂層與高溫合金葉片刮擦的磨損機制

當進給速度0.01 m/s時，葉片端面一側全部為黏附涂層，另一側磨痕形貌中存在犁溝，表明刮削過程中從涂層中剝落的松散粒子將成為對磨副中的磨粒，對葉片表面的黏附涂層造成進一步的磨損，此時葉片的磨損機制為涂層黏附、犁削和塑性變形。

結論

（1）鹽霧腐蝕后，銅鋁/鎳石墨涂層組織中孔隙含量增加，金屬相腐蝕溶解。在此金相組織下，銅鋁/鎳石墨封嚴涂層表面洛氏硬度降低、結合強度均大幅度下降。鹽霧腐蝕環境造成銅鋁/鎳石墨封嚴涂層的性能衰減。

（2）理論上NiAl底層優先腐蝕，但在實際情況中，腐蝕介質未到達底層和面層的結合界面處，面層銅鋁/鎳石墨優先腐蝕，隨著腐蝕時間延長，會出現綠色的腐蝕點，表面覆蓋Ni/Cu的腐蝕產物。

（3）在300m/s的線速度、入侵速度在0.015 mm/s，入侵深度在500mm條件下，噴涂態銅鋁/鎳石墨涂層與GH4169合金葉片試件對磨時，涂層表面出現刮削后涂層粒子剝落狀態，葉片表面有氧化變色及磨損現象，磨損機制主要為氧化磨損機制。

（4）在相同刮磨條件下，涂層表面涂層粒子剝落更為嚴重，葉片表面兼有磨損以及銅鋁/鎳石墨涂層腐蝕產物黏附現象，葉片表面有銅鋁/鎳石墨涂層腐蝕產物黏附區域造成葉片伸長，以致涂層刮痕更長，葉片表面磨損狀態與未腐蝕狀態相近，磨損機制主要為氧化磨損機制。

參考文獻

[1]賴師墨.控制航空發動機運轉間隙的熱噴涂封嚴涂層[J].航空制造技術，1995 （S1）：53-55.

[2]張海存，張彬，李靜，等.航空發動機封嚴涂層試驗機控制測量研究[C].航空試驗測試技術學術交流會論文集，2014.

[3]薛偉海，高禩洋，張佳平，等.高速刮擦下Ti6Al4V葉片與NiAl-BN涂層的磨損行為[J].熱噴涂技術，2014，6（3）：29-35.