7 種材料/涂層體系室溫往復摩擦磨損性能研究

慕仙蓮，王明振，彭苗，劉元海，張登，王小龍

（中國特種飛行器研究所 結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035）

引言

航空發動機作為飛機的核心飛行動力，由于技術難度極高，被譽為裝備制造業的核心技術，它直接影響著我國戰斗機的作戰性能。對其在設計、材料加工、零部件制造、部件裝備、總裝、試車、交付等各個產業環節都必須嚴格把關，且航空發動機高轉速、高溫的苛刻使用條件以及長壽命、高可靠性的工作要求對材料、制造技術提出了更高的要求[1-2]。發動機壓氣機是空氣流經發動機的首要通道，葉片直接受到高壓高速空氣的沖擊和腐蝕性介質的侵蝕，其腐蝕故障尤為突出，已成為發動機的多發性和危險性故障，大大影響了發動機的性能、壽命、可靠性及維修費用[3-5]。

一代材料、一代裝備[6,7]，不銹鋼、鋁合金、鈦合金等合金作為發動機壓氣機部位的骨干材料，在高壓高速空氣的沖擊和腐蝕性介質的侵蝕后，出現了較為嚴重的磨損、開裂現象，主要原因是，我國航空發動機是通過引進技術、仿制成品、產品改良、技術創新的方式開展的研制，所以發動機選用的骨干材料、表面處理工藝等大多延用了國外的技術，例如：高壓壓氣機的榫頭采用了自潤滑涂層（CuNiIn+MoS2涂層體系）、機匣采用了安波涂層（鋁氮化硼+銅鋁石墨烯），這些體系在國內的使用環境下，表現出了水土不服的癥狀，且隨著我國發動機的使用頻次增加、使用環境更為惡劣，骨干材料出現了提前損傷、防護體系失效問題，急需從材料自身的耐磨損特性出發，研制出適用于國內航空發動機使用工況的材料或涂層體系[8]。

本文以航空發動機常用的1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70鋁合金、TA9 鈦合金等為載體，通過開展室溫往復摩擦磨損測試，結合摩擦系數曲線、磨痕輪廓曲線以及光學顯微形貌，對某型發動機現役的自潤滑涂層（CuNiIn+MoS2涂層體系）、安波涂層（鋁氮化硼+銅鋁石墨烯）和新研的熱滲鋅復合涂層、微弧氧化復合涂層進行對比研究，從而探討新研涂層在發動機壓氣機區域的使用性，為發動機設計選材提供理論支撐。

1 實驗

1.1 試驗材料

試驗材料：1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金、TA9 鈦合金以及熱滲鋅復合涂層、微弧氧化復合涂層、自潤滑涂層（CuNiIn+MoS2涂層體系）和安波涂層（鋁氮化硼+銅鋁石墨烯），其中1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金、TA9 鈦合金的成分見表1、表2、表3 所示，熱滲鋅涂層、微弧氧化涂層由中國特種飛行研究所提供，自潤滑涂層、安波涂層試樣由410 廠提供。

表1 1Cr17Ni2 不銹鋼成分（wt%，質量分數）

表2 2A70 鋁合金（LD7）成分（wt%，質量分數）

表3 TA9 鈦合金成分（wt%，質量分數）

試驗件：采用平板試樣材料，尺寸大小為30 mm×30 mm×2 mm。熱滲鋅涂層、微弧氧化涂層、自潤滑涂層、安波涂層厚度為（40±5）μm。

1.2 試驗方法

室溫往復摩擦磨損試驗采用的是RTEC 摩擦磨損往復試驗機。試驗采用直徑為9.5 mm 的氮化硅球為對磨材料。往復摩擦磨損（刮削）試驗參數為：時間30 min，往復摩擦速度24 mm/s，載荷10 N。為了考察樣品的摩擦磨損行為重復性，每個樣品摩擦磨損試驗兩次以上。

試驗中，力傳感器及其連接的電腦實時記錄材料/涂層的摩擦系數，形貌儀掃描獲取磨痕形貌輪廓曲線，而后由磨痕形貌特征計算材料/涂層的磨損體積以及磨損率，計算磨損率的公式如下式（1）所示，光學顯微鏡分析磨痕微觀結構。

式中：

W—磨損率，單位mm3/Nm；

V—磨損體積，單位mm3；

P—載荷，單位N；

L—磨程，單位m。

2 結果與討論

2.1 1Cr17Ni2 不銹鋼

2.1.1 摩擦系數曲線

在摩擦磨損初期，不銹鋼的摩擦系數低于0.2，且摩擦系數曲線平滑，這是由不銹鋼光滑表面以及高強高硬的力學性能決定的。然而，隨著摩擦磨損時間延至10 min 之后，摩擦系數陡然升至0.6 以上，之后一直維持在0.6～0.7 之間，直至30 min 后摩擦終止，該過程不銹鋼均表現出較高的摩擦阻力。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.61 和0.65。

2.1.2 磨痕形貌特征

圖1（a）所示為1Cr17Ni 不銹鋼室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為0.9 mm，磨痕深度僅為1.5 μm，磨痕邊緣有磨削的堆積，顯示該不銹鋼材料具有較高的抗磨損能力。由式（1）可計算得到，該不銹鋼經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為6.22×10-5mm3/Nm、8.68×10-5mm3/Nm，磨損率均在10-5量級，屬于耐磨損性材料。

圖1 1Cr17Ni2 不銹鋼室溫摩擦磨損試驗結果

圖1 （b）所示為1Cr17Ni 不銹鋼室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區極淺，表面砂紙打磨的平行線痕跡依稀可見。此外，磨痕中央明顯的光亮區表明該不銹鋼摩擦已進入了穩定的低磨損率階段；而在磨痕兩側出現的黑色區域正好對應于磨痕輪廓曲線的磨削堆積區，磨痕中央有較淺的犁溝，這些特征均表明該不銹鋼的主要摩擦磨損機制主要為磨粒磨損?？傊裕讳P鋼的磨損率低，耐磨能力較強。

2.2 2A70 鋁合金

2.2.1 摩擦系數曲線

在經歷短暫的磨合期（20～100）s 后，該鋁合金即進入穩定摩擦磨損階段。在整個30 min 的磨損過程中，摩擦系數曲線有較大的波動，但是摩擦系數平均值比較穩定。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.37 和0.38。相較于1Cr17Ni2 不銹鋼，該鋁合金的室溫摩擦系數低了40 %。

2.2.2 磨痕形貌特征

圖2（a）所示為2A70 鋁合金室溫摩擦磨損30 min后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為2.0 mm，磨痕深度達到70 μm。不管是磨痕深度還是磨痕寬度都遠遠高于1Cr17Ni2 不銹鋼，說明其耐磨損能力差。由式（1）可計算得到，該鋁合金經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為1.40×10-3mm3/Nm、1.35×10-3mm3/Nm，磨損率均在10-3量級，耐磨損能力較1Cr17Ni2 不銹鋼降低了兩個數量級，屬于極易磨損的材料。

圖2 2A70 鋁合金室溫摩擦磨損試驗結果

圖2（b）所示為2A70 鋁合金室溫摩擦磨損30 min后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區呈黑色，說明磨痕深度較深，與周圍原始表面不在同一平面。此外，磨痕中央區域已產生明顯的條狀犁溝，這是該鋁合金磨損的主要機制為磨粒磨損與粘著磨損，這主要是源于鋁合金硬度較低，對磨過程中產生的磨削容易粘著且刮傷合金，形成犁溝。結合摩擦系數與磨痕形貌、磨損量等特征，該2A70 鋁合金的摩擦系數雖然較低，但耐磨性極差。

2.3 TA9 鈦合金

2.3.1 動力學曲線

在經歷短暫的磨合期（20～100）s 后，該鈦合金即進入穩定摩擦磨損階段。在整個30 min 的磨損過程中，摩擦系數曲線波動較小，摩擦磨損過程平穩，并且摩擦系數平均值維持穩定。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.47 和0.55。其摩擦系數值介于1Cr17Ni2 不銹鋼與2A70 鋁合金之間。

2.3.2 磨痕形貌特征

圖3（a）所示為TA9 鈦合金室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為1.5 mm，磨痕深度超過30 μm。磨痕深度和磨痕寬度都遠遠高于1Cr17Ni2不銹鋼，但小于2A70 鋁合金，說明其耐磨損能力較差。由式（1）可計算得到，該鈦合金經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為4.60×10-4mm3/Nm、5.41×10-4mm3/Nm，磨損率為10-4量級，耐磨損能力較1Cr17Ni2 不銹鋼降低了1 個數量級，屬于易磨損的材料。

圖3 TA9 鈦合金室溫摩擦磨損試驗結果

圖3 （b）所示為TA9 鈦合金室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區已完全將樣品拋光痕跡掩蓋，磨痕寬度較寬，磨痕區未見連續的光亮區，但是磨痕深度較深，并已產生明顯的條狀犁溝與粘著孔洞，這說明該鈦合金磨損的主要機制為磨粒磨損與粘著磨損，這主要是源于鈦合金硬度較低，對磨過程中產生的磨削容易粘著且刮傷合金，形成犁溝。結合摩擦系數與磨痕形貌、磨損量等特征，該TA9 鈦合金的摩擦系數較高且耐磨性較差。

2.4 熱滲鋅涂層

2.4.1 摩擦系數曲線

涂層在進入摩擦磨損時就處于低摩擦系數階段，該過程持續到20 min，摩擦系數基本不變，且摩擦系數曲線幾乎沒有波動，顯示良好的潤滑效果，摩擦系數值為0.12左右。而后摩擦系數開始緩慢持續增大，至30 min時，該熱滲鋅涂層的摩擦系數已升至0.23 左右。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.17和0.19。其摩擦系數值遠遠低于上述1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金以及TA9 鈦合金。

2.4.2 磨痕形貌特征

圖4 所示為熱滲鋅涂層經室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。由于磨痕極淺，磨痕輪廓曲線以及磨痕形貌光學顯微照片不能清晰顯示磨痕的實際邊界。但是在磨痕中央，依然可見由于粘著磨損而形成的磨痕小孔，但是小孔周圍依然平滑，這側面印證了該熱滲鋅涂層具有極低的摩擦系數，也即優異的自潤滑效果。通過公式（1）計算，可得該熱滲鋅涂層經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為6.93×10-5mm3/Nm、5.81×10-5mm3/Nm，磨損率為10-5量級，耐磨損能力與1Cr17Ni2 不銹鋼相近，屬于典型的自潤滑耐磨涂層材料。

圖4 熱滲鋅涂層室溫摩擦磨損30 min 后磨痕區光鏡下顯微形貌

2.5 微弧氧化涂層

2.5.1 摩擦系數曲線

涂層在摩擦磨損開始后，摩擦系數變迅速升高，初始100 s 內即升高至0.4 以上，而后持續穩定在0.6 左右。摩擦磨損在快速進入穩定階段后，摩擦系數曲線波動較小。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.63 和0.61，其摩擦系數值與1Cr17Ni2 不銹鋼相當。

2.5.2 磨痕形貌特征

圖5 所示為微弧氧化涂層經室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。磨痕表面光滑，但是分布不均勻，且在磨痕中央可見因磨粒刮削留下的摩擦孔洞。磨痕兩側有磨削堆積痕跡，表明該微弧氧化涂層的主要磨損機制為磨粒磨損。通過公式（1）計算，可得該微弧氧化涂層經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為1.98×10-4mm3/Nm、1.73×10-4mm3/Nm，磨損率為10-4量級。

圖5 微弧氧化涂層室溫摩擦磨損30 min 后磨痕區光鏡下顯微形貌

2.6 自潤滑涂層

2.6.1 摩擦系數曲線

涂層在摩擦磨損開始后，摩擦系數變迅速升高，初始100 s 內即升高至0.4 以上。而后隨著摩擦磨損時間的延長，摩擦系數緩慢增大，在磨損時間30 min 時，摩擦系數試驗機已增至0.6，但是整個摩擦磨損階段，該自潤滑涂層的摩擦系數曲線波動較小。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.53 和0.55，其摩擦系數值略低于1Cr17Ni2 不銹鋼相，而與TA9 鈦合金相近。

2.6.2 磨痕形貌特征

圖6（a）所示為自潤滑涂層室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為3.5 mm，磨痕深度普遍不超過20 μm，但存在尖銳刮削點，且刮削深度達到65 μm。磨痕深度和磨痕寬度都遠遠高于1Cr17Ni2不銹鋼，但小于2A70 鋁合金，說明其耐磨損能力較差。由式（1）可計算得到，該鈦合金經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為5.95×10-3mm3/Nm、6.78×10-3mm3/Nm，磨損率為10-3量級。在所有檢測材料中，自潤滑涂層的磨損率最高，結合該自潤滑涂層較高的摩擦系數值，可以得出結論該自潤滑涂層并沒有達到減磨降摩的作用，反倒是提高了摩擦系數與磨損率。

圖6 自潤滑涂層室溫摩擦磨損試驗結果

圖6（b）所示為自潤滑涂層室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區很寬，未見明顯的磨痕光亮區，但可見較淺的犁溝與磨?？锥?，結合其高的摩擦系數與磨損率，說明該自潤滑涂層的主要磨損機制是磨粒磨損，摩擦磨損階段該自潤滑涂層磨削容易脫離，且對涂層本體產生進一步破話，加速磨損。

2.7 安波涂層

2.7.1 摩擦系數曲線

涂層在摩擦磨損特征與自潤滑涂層相近。摩擦開始后，摩擦系數變迅速升高，初始100 s 內即升高至0.4以上。而后隨著摩擦磨損時間的延長，摩擦系數緩慢增大，在磨損時間30 min 時，摩擦系數試驗機已增至0.6，但是整個摩擦磨損階段，該自潤滑涂層的摩擦系數曲線波動較小。摩擦磨損試驗兩次，樣品的摩擦系數趨勢一致，其平均值分別為0.55 和0.61，其摩擦系數值略低于1Cr17Ni2 不銹鋼相，而與TA9 鈦合金以及自潤滑涂層相近。

2.7.2 磨痕形貌特征

圖7（a）所示為安波涂層室溫摩擦磨損30 min 后的磨痕形貌輪廓曲線。磨痕寬度約為1.3 mm，磨痕深度為6 μm。磨痕深度和磨痕寬度都遠遠小于2A70 鋁合金以及自潤滑涂層。由式（1）可計算得到，該鈦合金經室溫摩擦磨損（刮削）兩次后的磨損率分別為1.65×10-4mm3/Nm、1.52×10-4mm3/Nm，磨損率為10-4量級，與TA90 鈦合金以及微弧氧化涂層的磨損率相當。

圖7 自潤滑涂層室溫摩擦磨損試驗結果

圖7（b）所示為安波涂層室溫摩擦磨損30 min 后表面磨痕形貌照片。中間磨痕區形成亮色的磨損區域，可起到減磨降摩的效果；但是，磨痕表面的犁溝以及廣泛分布的磨削孔洞表明，該安波涂層的磨損機制為磨粒磨損，即使存在廣泛區域，在磨粒的影響下，其摩擦系數與磨損率依然較大。

3 結論

針對1Cr17Ni2 不銹鋼、2A70 鋁合金、TA9 鈦合金、熱滲鋅涂層、微弧氧化涂層、自潤滑涂層以及安波涂層七種材料/涂層體系，采用室溫往復摩擦磨損，結合摩擦系數曲線、磨痕輪廓曲線以及光學顯微形貌，得到7種材料/涂層的磨損速率與磨損機制，綜合而言：

1）熱滲鋅涂層摩擦系數最低（≤0.2）、磨損量低（10-5mm3/Nm 量級），表明該涂層在實驗考核條件下具備自潤滑效果，可對基體實現減磨降摩的作用。

2）1Cr17Ni2 不銹鋼的磨損率與熱滲鋅涂層相近，具有優異的耐磨性能，但是該不銹鋼的摩擦系數高，啟動以及運行力矩大。

3）其它合金及涂層（如2A70 鋁合金、TA9 鈦合金、微弧氧化涂層、安波涂層以及自潤滑涂層）的摩擦系數高，且耐磨性差，磨損率普遍在10-4甚至10-3mm3/Nm 量級，耐磨性較1Cr17Ni2 不銹鋼以及熱滲鋅涂層差1～2 個數量級。