基于摩擦熱效應的刷式密封摩擦副匹配性實驗研究

楊藝瀟 孫丹 蘭可心 趙歡 馮毓鐘 張杰一

摘要：刷絲與轉子涂層相互作用產生的摩擦熱效應直接影響刷式密封的密封性能和使用壽命。分析了刷式密封摩擦副之間的摩擦熱效應理論，設計搭建了刷式密封摩擦副摩擦熱效應實驗裝置，設計加工了6種不同結構參數與刷絲材料的刷式密封實驗件和4種不同涂層材料的摩擦轉盤，實驗研究了工況參數、結構參數以及不同摩擦副材料對刷式密封摩擦熱效應的影響，通過對比分析刷式密封最高溫度以及磨損前后摩擦副的磨損形貌及磨損量，獲取了刷絲與轉子涂層材料的匹配性關系。研究結果表明：刷式密封最高溫度會隨著摩擦時長的增加先迅速升高后趨于穩定，隨著干涉量的增大而升高，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷絲平均最高溫升達39.96 ℃；最高溫度隨著刷絲束厚度的增加而升高，隨著后擋板保護高度的增大而降低；當刷絲材料為鈷基高溫合金GH605時，最佳轉子涂層材料為WC，當刷絲材料為鎳基高溫合金GH4169時，最佳轉子涂層材料為ZrO2，此兩種匹配材料能夠在相同工況下產生較低的摩擦熱量，且耐磨性能高于其他匹配材料。

關鍵詞：刷式密封；摩擦熱效應；摩擦副；匹配性；干涉量

中圖分類號：V233.5

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.04.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Experimental Study of Matching of Brush Seal Friction Pairs Based on

Frictional Heating Effects

YANG Yixiao1? SUN Dan1? LAN Kexin1? ZHAO Huan1? FENG Yuzhong2? ZHANG Jieyi3，4

1.Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System，School of

Aero-Engine，Shenyang Aerospace University，Shenyang，110136

2.AECC Guizhou Liyang Aviation Power Company Limited，Guiyang，550081

3.Shenyang Engine Research Institute，Aero Engine Corporation of China，Shenyang，110015

4.Key Laboratory for Power Transmission of Aero Engine，Aero Engine Corporation of China，

Shenyang，110115

Abstract： The frictional heating effects caused by the interaction between brush seal wire and rotor coating directly affected the sealing performance and service life of brush seals. The theory of frictional heating effects between brush seal frictional pairs was analyzed. The experimental device of frictional heating effects between brush seal frictional pairs was designed and built. Six brush seal experimental parts with different structural parameters and brush wire materials and four frictional turntables with different coating materials were designed and processed. The effects of working condition parameters， structural parameters and different frictional pair materials on the frictional heating effects of brush seals were studied experimentally. By comparing and analyzing the maximum temperature of brush seals and the wear morphology and wear amount of frictional pairs before and after wear， the matching relationship between brush wire and rotor coating material was obtained. The results show that the maximum temperature of brush seals increases rapidly and then tends to be stable with the increase of friction time， and increases with the increase of interference. When the interference increases from 0.3 mm to 0.4 mm， the average maximum temperature of brush wires rises to 39.96 ℃. The maximum temperature increases with the increase of the brush thickness and decreases with the increase

收稿日期：20230610

基金項目：國家自然科學基金（52075346，52375195）；遼寧省教育廳面上項目（LJKZ0179）

of the rear baffle protection height. When the brush wire material is cobaltbased superalloy GH605， the best rotor coating material is WC; when the brush wire material is nickelbased superalloy GH4169， the best rotor coating material is ZrO2.These two matching materials may produce lower friction heat under the same working conditions， and the wear resistance is higher than that of other matching materials.

Key words： brush seal; frictional heating effect; friction pair; matching; interference

0? 引言

先進的密封技術已廣泛應用于航空發動機等透平機械中［1-3］，其中刷式密封作為一種具有優良密封性能的接觸式動密封，其泄漏量為迷宮密封的1/10～1/5［4］。為了保證刷式密封有較好的封嚴性能，一般刷絲束與轉子之間都是過盈安裝，為減少刷絲與轉子的磨損，在轉子跑道表面設置一定厚度的耐磨涂層，以延長其使用壽命。實際應用發現，刷式密封刷絲與轉子涂層相互摩擦產生的摩擦熱效應直接影響其封嚴性能和使用壽命［5］，因此，開展基于摩擦熱效應的刷式密封刷絲與涂層材料摩擦副匹配性實驗研究具有重要的學術意義與工程應用價值。

密封摩擦副材料的選擇著重考慮材料的物理性質與力學性能，如材料的熱導率、熱膨脹系數等。研究表明，摩擦熱效應會使摩擦副間產生溫度梯度，從而引起刷絲與涂層材料熱變形，進而加劇摩擦副的磨損，引發密封失效［6-7］。國內外學者對刷式密封刷絲與轉子涂層材料摩擦磨損特性進行了大量的實驗研究，發現刷絲材料應具有高強度、高熔點、高抗氧化性和低摩擦因數等屬性［8］，目前適于作刷絲材料的有鈷基高溫合金以及鎳基高溫合金。FELLENSTEIN等［9-12］設計搭建了一種利用一簇刷絲與轉子涂層進行摩擦的實驗裝置，用于檢測刷式密封摩擦學特性，同時對比分析了不同刷絲材料與涂層之間摩擦磨損的結果，分析得出，在涂層材料中加入固體潤滑劑可以減小刷式密封在工作過程中對刷絲的磨損。ATKINSON等［7］通過大量長期試驗發現，適用于刷絲的材料有鈷基合金和鎳基合金兩類，適用于轉子表面涂層的材料有鉻基合金、鎢基合金、Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷，對比試驗研究發現，摩擦副的密封性能受溫度的影響很大。DERBY等［13］通過實驗研究了多種刷絲材料與轉子涂層材料間摩擦磨損特性，發現選擇合適的摩擦副材料可以減少摩擦總熱量和降低轉子在發生徑向偏移下的溫升，有利于提高刷式密封的性能。何立東等［14］和劉笑笑等［15］對現有刷絲與轉子間摩擦副的材料進行了總結，指出適合作為刷絲的材料有鈷基或鎳基合金，適合作為轉子涂層材料有鎳基合金、Al2O3、ZrO2及某些陶瓷材料。李理科等［16］對刷式密封溫度場進行了研究，發現刷絲端部長期處于高溫狀態，加速了刷絲氧化，縮短了其使用壽命，提出在刷式密封的設計中應著重考慮選擇合適的摩擦副材料。孫丹等［17］對刷式密封傳熱機理開展了研究，發現摩擦熱是影響刷式密封溫度分布的主要因素。牛少鵬［18］對轉子涂層結構進行了優化設計，研究了刷絲與涂層之間摩擦磨損性能。徐乙人等［5］利用高速試驗機研究刷絲與轉子涂層之間的摩擦磨損行為，發現刷絲和轉子涂層之間高速摩擦產生大量的摩擦熱，使得刷絲尖端出現焊接黏連及氧化現象，降低了刷絲的耐磨性。綜上所述，刷絲與轉子涂層之間的摩擦熱效應是影響刷式密封摩擦副匹配性的重要因素。

國內外學者采用熱電偶、紅外熱成像儀等多種測量裝置對刷式密封摩擦熱效應進行了實驗研究。HENDRICKS等［19］首先開展了刷式密封摩擦熱效應的研究，并提出了摩擦熱量可以由刷絲與轉子之間的法向接觸力、摩擦因數和相對速度計算得出。RABEN等［20］采用熱電偶測量方法測量刷絲與轉子接觸表面的溫度分布，得到了溫度隨刷式密封運行時間的變化曲線。PFEFFERLE等［21］將熱電偶安裝在轉盤上，測量了轉子表面的溫度分布。DEMIROGLU等［22］和FLOUROS等［23］利用紅外線溫度測試儀和熱成像儀測量得出刷絲與轉子間的溫度分布情況。DEVILLE等［24］通過實驗獲得了過盈配合下刷絲束及轉子表面的溫度分布，發現高溫分布區主要集中于刷絲束頂部。RUGGIERO［25］利用一種光纖傳感器測量了刷絲束內部的溫度和應變。黃首清［26］提出了一種用纖維熱電偶測量刷絲尖端與轉子表面摩擦區域溫度分布的測量方法。吳施志等［27］對刷式密封裝置開展了全工況條件下摩擦生熱實驗研究，得到不同壓差和不同轉速下刷式密封最高溫度分布規律，同時引入了剛度修正系數Ck，提高了工程計算精度。孫丹等［28］設計搭建了基于柱面圓周摩擦形式的刷式密封摩擦熱效應實驗裝置，并利用紅外熱成像儀監測不同工況下刷式密封摩擦熱效應熱成像圖。綜上所述，目前國內外學者已對刷式密封溫度分布開展了較多研究，但對刷式密封刷絲與涂層間摩擦熱效應研究較少。

本文分析刷式密封摩擦副的摩擦熱效應理論，設計搭建刷式密封摩擦副摩擦熱效應實驗裝置，應用熱成像儀實驗測試刷式密封摩擦副溫度分布特性，研究干涉量、轉速、刷絲束厚度以及后擋板保護高度對刷式密封摩擦熱效應的影響，探究刷絲與轉子涂層材料摩擦副匹配性關系。

1? 刷式密封摩擦熱效應理論分析

1.1? 刷式密封摩擦熱傳遞過程

在轉子高速轉動的過程中，轉子與刷絲束間存在較大的相對速度，刷絲束與轉子涂層間的摩擦會產生大量的熱，形成一個高溫熱源，高溫熱源將會通過熱傳導的形式將熱量傳遞給刷絲以及轉子，使刷絲的力學性能降低，同時也會影響涂層材料與基體材料之間的結合。圖1為刷式密封摩擦熱傳遞過程示意圖，可以看出，刷式密封摩擦副摩擦產生的熱量會以導熱的形式傳遞至刷絲與涂層表面，一部分熱量會沿著刷絲自由端傳遞至刷絲頂端焊接部位，一部分則會通過涂層材料導入轉子內部，并從轉子內部將熱量傳遞至遠端。在泄漏氣流的作用下，摩擦熱量與氣流之間存在對流換熱的過程，同時在刷絲束與前后擋板間也存在著復雜的對流換熱過程。

1.2? 刷絲與轉子間接觸力理論分析

刷式密封為周向旋轉對稱結構，每根刷絲的結構均相同，通常在不考慮氣動力引起的刷絲變形和刷絲之間相互作用的前提下將刷絲近似為懸臂梁［22］，典型刷絲受力分析如圖2所示。圖2中，yd為刷絲端部撓度；α為刷絲傾角；δr為刷絲束與轉子配合過盈量，即刷絲法向變形量；Fn為刷絲束法向接觸力；Ff為刷絲束摩擦力。

根據圖2中幾何關系可得單根刷絲的法向接觸力為［22］

Fn=3π64Ed4L3sin2αδr（1）

單根刷絲剛度為

kr=Fnδr=3π64Ed4L3sin2α（2）

式中，E為刷絲材料的彈性模量；d為刷絲直徑；L為刷絲自由長度。

因此，具有一定厚度的刷絲束整體剛度為

Kr=Nkr（3）

式中，N為刷絲總根數。

1.3? 刷式密封摩擦熱量計算

依據摩擦力做功的原理，可以得到在轉子轉動過程中刷絲與轉子涂層間的摩擦熱量Q，已知刷絲與轉子涂層之間的接觸面積，可以獲得刷絲與轉子涂層之間摩擦熱流量［18］ ：

q=QA=μFnvA=γfμKrδrvA（4）

式中，μ為摩擦因數；v為轉子表面線速度；μKrδr為由過盈配合引起作用在接觸表面的周向摩擦力；γf為摩擦力做功轉換為摩擦熱的比率；A為刷絲束與轉子接觸面積。

2? 刷式密封摩擦熱效應實驗

2.1? 實驗裝置

本文設計搭建的刷式密封摩擦熱效應實驗裝置如圖3所示。該實驗裝置以一矩形鑄鐵方箱為基礎構建，豎直放置于水平實驗臺上，動力由一臺伺服電機提供，最大轉速為5000 r/min。伺服電機通過扭矩傳感器（量程范圍為0～20 N·m）與主軸連接，扭矩傳感器的作用是測量實驗過程中刷絲與摩擦轉盤間的摩擦力扭矩。主軸頂端是一最小直徑為360 mm的摩擦轉盤，表面設置有不同直徑的階梯，提供刷式密封實驗件所需的不同干涉量。刷式密封實驗件通過一帶有特制凹槽的夾具安裝在三向可調刷式密封安裝座上，該安裝座包括兩個拉壓力傳感器（量程范圍為0～50 kg），用于測量刷式密封實驗件刷絲與摩擦轉盤間的接觸力合力和摩擦力合力。利用相機架將紅外熱成像儀固定在階梯盤的正上方，通過調定焦距、范圍等參數監測不同工況下的刷式密封摩擦熱效應熱成像圖。紅外熱像儀可實時采集刷式密封摩擦磨損過程中的熱成像，將在不同時刻、不同干涉量下的刷絲溫度記錄并保存，在電腦中可對保存數據進行后處理。

圖4為刷式密封摩擦熱效應實驗裝置示意圖。刷式密封實驗件安裝在密封實驗件夾具上，而刷式密封夾具又安裝在三向可調刷式密封安裝座上，如圖5所示。該安裝座可使刷式密封實驗件的位置在X、Y、Z三個方向上進行調節。實驗時，首先通過密封實驗件夾具將刷式密封實驗件固定，之后通過調節軸向滑座、徑向滑桿、切向滑桿使得刷式密封實驗件可以與階梯盤的不同階梯相接觸，進而使刷式密封實驗件與階梯盤間產生實驗所需的不同干涉量，最后啟動伺服電機，記錄扭矩傳感器和兩個拉壓力傳感器的實驗數據。

2.2? 摩擦副實驗件設計

圖6所示為本文刷式密封實驗件主要結構形式，主要有基本型、減小刷絲束厚度型、提高后擋板保護高度型。

表1所示為實驗件結構參數，不同型號實驗件主要參數如表2所示。減小刷絲束厚度型與基本型的主要區別在于刷絲束厚度，分別減少0.2 mm與0.4 mm；提高后擋板保護高度型與基本型的主要區別在于后擋板保護高度，分別提高0.3 mm與1.0 mm。

圖7給出了4種涂層材料的摩擦轉盤，涂層材料分別為碳化鎢（WC）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鉻（Cr2O3）、氧化鋁（Al2O3）。刷式密封實驗件共加工了兩種刷絲材料，分別為鈷基高溫合金GH605與鎳基高溫合金GH4169。基于4種涂層材料與兩種刷絲材料，開展基于摩擦熱效應的摩擦副匹配性實驗研究。

2.3? 實驗方案

本文開展的基于摩擦熱效應刷式密封摩擦副匹配性研究實驗方案如圖8所示。刷式密封工況參數（摩擦時長和干涉量）與結構參數（刷絲厚度和后擋板保護高度）是直接影響刷式密封摩擦熱效應的主要因素，摩擦副匹配性主要是通過選擇合適的刷絲材料與轉子涂層材料來減少摩擦生熱，減少摩擦熱效應對摩擦副的影響，提高刷式密封的性能［13］，而摩擦熱效應則是評價摩擦副匹配性的重要因素。摩擦熱效應體現在刷式密封工作過程中的溫度分布，因此本文通過研究刷式密封的摩擦溫升以及最高溫度來分析摩擦熱效應的影響。

為研究刷式密封摩擦副匹配性對摩擦熱效應的影響，增強實驗效果，首先研究刷式密封工況參數與結構參數對摩擦熱效應的影響，選取一組摩擦熱效應效果明顯的刷式密封實驗件在特定的工況參數下進行實驗。

3? 結果與討論

3.1? 工況參數對摩擦熱效應的影響分析

3.1.1? 干涉量對摩擦熱效應的影響

在轉速為2000 r/min，干涉量分別為0.4 mm與0.3 mm的條件下，鎳基合金材料GH4169與ZrO2涂層材料對摩2 h的刷式密封最高溫度隨摩擦時長的變化如圖9所示。在前120 s，0.4 mm干涉量密封的平均溫升速率高于0.3 mm干涉量密封，分別為0.633 ℃/s、0.445 ℃/s；超過120 s后，0.3 mm干涉量密封溫度達到最大值，而0.4 mm干涉量密封溫度繼續升高，但平均溫升速率降低為0.207 ℃/s，降低了67.14%；當最高溫度達到穩定后，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷絲平均最高溫升達39.96 ℃。這是由于隨著干涉量的增大，刷絲與轉子涂層間的接觸力增大，刷絲與涂層間磨損加劇。

圖10為不同干涉量下刷絲尖端磨損形貌圖，兩個實驗件在經過1 h的磨損后，干涉量為0.3 mm的刷式密封實驗件刷絲尖端一部分劇烈磨損成亮銀色，其余部分仍保持最初的深色狀態，刷絲部分磨損；干涉量為0.4 mm的刷式密封實驗件刷絲尖端絕大部分已經被劇烈磨損成亮銀色，刷絲嚴重磨損。因此，干涉量增大，刷絲與轉子涂層間接觸力增大，溫度和磨損量均會增加。

3.1.2? 摩擦時長對摩擦熱效應的影響

刷式密封溫度熱成像圖見圖11，可以發現，刷式密封最高溫度主要集中于刷絲尖端，隨著摩擦時長的增加，摩擦熱量不斷向轉子和刷絲固定端導熱與輻射換熱。

由圖9黑色曲線（干涉量0.4 mm）可以看出，在0～270 s里，刷式密封溫升速率特別快，隨著轉速從0逐步提高至2000 r/min，轉子涂層表面的線速度逐漸加大，導致刷絲與轉子涂層之間產生的摩擦熱量增多，引起了摩擦副間溫度迅速升高，溫升速率明顯增大；在270～4230 s里，溫度逐漸升高，最高溫度達到了131.51 ℃。在摩擦初期，刷絲與轉子涂層摩擦副間摩損劇烈，隨著摩擦時間的增長，摩擦熱量不斷累積，摩擦熱量生成的速率大于其耗散的速率，致使溫度逐漸升高。刷式密封摩擦副在4230～7200 s內溫度曲線平緩，先緩慢降低最終趨于穩定。刷絲自由端與轉子涂層材料在前段摩擦時長中已被大量磨損，從而導致刷絲與轉子涂層間接觸力減小，摩擦熱量也隨之減小，溫度逐漸降低。在5400 s之后，溫度穩定在118.21 ℃左右，可以推斷出此時刷絲自由端與轉子涂層之間磨損量較小，溫升曲線圖變化趨于穩定。

3.2? 結構參數對摩擦熱效應的影響分析

3.2.1? 刷絲束厚度對摩擦熱效應的影響

在轉速為2000 r/min，干涉量為0.4 mm，鎳基合金材料GH4169與ZrO2涂層材料配合下，不同刷絲束厚度的刷式密封最高溫度隨摩擦時長的變化如圖12所示。在前300 s，1.2 mm刷絲束厚度密封平均溫升速率高于1.0 mm與0.8 mm刷絲束厚度密封平均溫升速率，分別為0.395 ℃/s、0.303 ℃/s、0.262 ℃/s。當溫度趨于穩定后，發現刷絲束厚度越大，刷式密封達到的最高溫度越高。這是因為刷絲束厚度越大，刷絲與轉子涂層的接觸面積越大，從而提高了摩擦熱量生成的速率，使溫度升高；另外，刷絲束越厚，刷絲之間的相互作用力越大，從而增大了刷絲束的剛度，進而增大了刷絲與轉子間的法向接觸力，使摩擦力增大，摩擦熱量增加，溫度升高。

3.2.2? 后擋板保護高度對摩擦熱效應的影響

在轉速為2000 r/min，干涉量為0.4 mm，鎳基合金材料GH4169與ZrO2涂層材料配合下，不同后擋板保護高度的刷式密封最高溫度隨摩擦時長的變化如圖13所示。三種不同后擋板保護高度的密封最高溫度隨著摩擦時長的變化趨勢近似相同，不同之處在于，隨著后擋板保護高度的減小，刷式密封達到的最高溫度越高，達到最高溫度所需要的時間越長。同時發現，后擋板保護高度越高，刷式密封的最高溫度越低。一是因為后擋板保護高度越高，刷絲裸露的面積越大，轉子轉動引起的氣流與刷絲自由端摩擦產生的熱源之間進行了對流換熱，帶走的熱量越多，熱量在刷絲束內部的積累越少，引起了溫度的降低；二是由于滯后效應的存在，后擋板與后排刷絲接觸存在摩擦力，導致刷絲在轉子轉動的過程中不能及時閉合，產生微小間隙，從而減小了刷絲自由端與轉子涂層材料之間的接觸力，使溫度降低。在同一轉速下，后擋板保護高度的越高，刷絲自由端與轉子涂層之間的切向位移越大，刷絲自由端與轉子涂層之間的接觸力越小，產生的摩擦熱越小，溫度降低。

通過上述研究發現，刷式密封干涉量越大，刷絲束厚度越大，后擋板保護高度越低，刷式密封摩擦熱效應越強。為增強實驗效果，刷式密封摩擦副匹配性實驗選擇干涉量為0.4 mm，刷絲束厚度為1.2 mm，后擋板保護高度為1.5 mm的BS01實驗件進行實驗。

3.3? 刷式密封摩擦副匹配性分析

在干涉量為0.4 mm，轉速為2000 r/min，實驗摩擦時長為1 h的條件下，鎳基刷絲（GH4169）和鈷基刷絲（GH605）分別與碳化鎢（WC）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鉻（Cr2O3）、氧化鋁（Al2O3）4種涂層的摩擦轉盤進行配合，利用紅外熱成像儀監測刷式密封最高溫度，使用高清攝像機拍攝實驗件磨損前后表面形貌圖，并利用高精度電子天平稱量刷式密封磨損前后的實驗件質量。

3.3.1? 鈷基刷絲與不同涂層材料匹配性分析

鈷基刷絲GH605與不同涂層材料的摩擦轉盤配合的摩擦溫度變化如圖14所示，磨損前后實驗件質量如表3所示，磨損前后形貌如圖15所示。由圖14可以看出，與Al2O3涂層配合下的最高溫度在0～900 s內為最低，與ZrO2涂層配合下的最高溫度最高。隨著摩擦時長的增大，刷絲與涂層發生磨損，磨損速率較快，溫度下降速度較快。而與Cr2O3涂層配合時，摩擦副持續高溫時間較長，在1800s后溫度下降速度較快。且由表3發現，與ZrO2涂層配合的實驗件磨損前后質量增加了0.0332%，而與Cr2O3涂層配合的實驗件磨損前后質量僅減少0.0028%。磨損后ZrO2材料表面存在較深的劃痕，如圖15所示，證明鈷基刷絲與Cr2O3配合時耐磨性能高于ZrO2材料。而在與Al2O3和WC涂層材料配合時，在同時刻下的溫度低于ZrO2材料、Cr2O3材料，且在1200s后，溫度變化不大，溫度持續時間長，證明鈷基刷絲與WC涂層材料、Al2O3涂層材料配合的耐磨性能高于另外兩種涂層材料，因此應優先選擇Al2O3涂層材料、WC涂層材料與鈷基刷絲配合。

鈷基刷絲與Al2O3涂層材料配合時，在0～800s中的最高溫度低于WC涂層材料；在800 s后，Al2O3涂層材料溫度則升高，而WC涂層材料溫度有較小降低，變化速率低于Al2O3涂層材料，摩擦溫度持續穩定在某一值附近，且在1200～3200 s內溫度下降速度較低。與WC涂層配合的實驗件磨損前后質量增加了0.0045%，而與Al2O3涂層配合的實驗件磨損前后質量減少0.0083%，證明WC涂層材料在相同工況條件下與鈷基刷絲配合時的耐磨性能以及穩定性高于Al2O3材料，因此當刷絲材料選用鈷基高溫合金材料時，選擇WC材料作為涂層材料是最佳方案。

在刷絲尖端與涂層磨損的過程中，二者之間的磨損類型主要為黏著磨損［14，29］。刷絲尖端與涂層接觸表面微觀上是凹凸不平的，硬度低的材料會隨著黏結點破壞轉移到硬度高的材料上。刷絲與涂層材料發生黏著磨損后，造成刷式密封實驗件質量變化的原因有兩點：一是刷絲尖端與轉子涂層表面發生摩擦磨損，刷絲尖端產生磨損量，導致刷式密封件質量減小；二是刷式密封摩擦副不同材料硬度存在差異，而硬度低的材料會隨著黏結點破壞轉移至硬度高的材料上。在磨損量與轉移量的共同作用下，刷式密封實驗件發生質量變化。

鈷基刷絲與WC、ZrO2涂層磨損后，實驗件質量增加，產生此現象的原因有：獲取不同刷絲材料與轉子涂層材料的洛氏硬度值［30］，鈷基刷絲材料硬度為50，高于WC以及ZrO2材料硬度，根據Archard黏著磨損原理，硬度更低的WC與ZrO2材料隨著黏結點破壞轉移到硬度更高的鈷基刷絲材料上，使得轉子涂層材料轉移量大于刷絲磨損量，因此出現正值磨損量。

3.3.2? 鎳基刷絲與不同涂層材料匹配性分析

鎳基刷絲GH4169與不同涂層材料的摩擦轉盤配合的摩擦溫度變化如圖16所示，磨損前后實驗件質量如表4所示，磨損前后形貌如圖17所示。鎳基刷絲與Al2O3涂層配合下最高溫度在0～1650 s為最低，溫度最高為Cr2O3涂層材料。

隨著摩擦時長的增大，刷絲與轉子涂層發生磨損，與Cr2O3涂層材料、WC涂層材料配合的最高溫度在1650～3600 s中低于ZrO2涂層材料、Al2O3涂層材料，證明鎳基刷絲與Cr2O3涂層材料、WC涂層材料配合下的耐磨性能低于ZrO2涂層材料與Al2O3涂層材料，且0～1650 s內的最高溫度高于ZrO2涂層材料與Al2O3涂層材料。因此應該將鎳基刷絲-Al2O3涂層材料、鎳基刷絲-ZrO2涂層材料作為刷式密封摩擦副匹配性的優先選擇。

鎳基刷絲與Al2O3涂層材料配合時，在0～1650s內最高溫度低于ZrO2涂層材料，在1650～3000 s時，二者溫度相差不大，3000～3600 s內，ZrO2涂層材料摩擦溫度顯著低于Al2O3涂層材料。由表4可知，與ZrO2涂層材料配合的實驗件磨損前后質量減小了0.0685%，與Cr2O3涂層材料配合的實驗件磨損前后質量減小0.0281%，磨損后Cr2O3涂層表面顏色變為深黑色，且存在較深的溝壑，如圖17所示。證明鎳基刷絲與ZrO2涂層配合時的耐磨性能優于Cr2O3涂層材料，因此最佳匹配性材料為鎳基刷絲-ZrO2涂層材料，該匹配材料能夠在相同工況條件下產生較低的摩擦熱量，溫升效果低于其他相匹配的材料，且耐磨性能高于其他相匹配的材料。

鎳基刷絲與4種涂層磨損后，實驗件質量均減小，產生此現象的原因有：鎳基刷絲材料硬度為45，低于4種涂層材料硬度，根據Archard黏著磨損原理，硬度更低的鎳基刷絲隨著黏結點破壞轉移到硬度更高的涂層材料上，刷絲材料轉移量與磨損量共同作用下，使得最終磨損量均為負值。

4? 結論

（1）刷式密封摩擦時的最高溫度會隨著摩擦時長的增加先迅速升高，隨后由于刷絲自由端與轉子涂層材料的磨損，溫度降低并趨于穩定。

（2）刷式密封的最高溫度會隨著干涉量的增大而升高，在本文工況下，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷絲平均最高溫升達39.96 ℃。

（3）刷式密封的最高溫度會隨著刷絲厚度的增大而增大，隨著后擋板保護高度的增大而減小。

（4）鈷基刷絲與WC涂層材料在鈷基高溫合金與4種涂層材料中匹配性最好；鎳基刷絲與ZrO2涂層材料在鎳基高溫合金與4種涂層材料中匹配性最好。在同一工況下，兩者在摩擦過程中產生較低的摩擦熱量，溫升效果低于其他匹配性材料，耐磨性能優于其他匹配性材料。

參考文獻：

［1］? 姜金裕， 孫丹， 趙歡，等. 新型渦流槽密封泄漏特性與動力特性研究［J］. 中國機械工程， 2022， 33（19）：2306-2316.

JIANG Jinyu， SUN Dan， ZHAO Huan， et al.Study on Leakage Characteristics and Dynamic Characteristics of New Type of Vortex Groove Seals［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（19）：2306-2316.

［2］? 徐潔， 俞樹榮， 嚴如奇，等. 柔性端面氣膜密封流場分析及密封特性研究［J］. 中國機械工程， 2022， 33（6）：656-663.

XU Jie， YU Shurong， YAN Ruqi， et al. Flow Field Analysis and Sealing Characteristics Research of Flexible End Face Gas Film Seals［J］. China Mechanical Engineering， 2022， 33（6）：656-663.

［3］? 林麗， 劉衛華. 基于FLUENT的迷宮密封機理研究［J］. 中國機械工程， 2007， 18（18）：2183-2186.

LIN Li， LIU Weihua. Study on the Characteristics of Labyrinth Seal Based on the Software FLUENT［J］. China Mechanical Engineering， 2007， 18（18）：2183-2186.

［4］? FERGUSON J G. Brushes as High Performance Gas Turbine Seals［C］∥ASME 1988 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition. Amsterdam， 1988：182.1-182.8.

［5］? 徐乙人， 祝天一， 李永健， 等. 鈷基合金刷絲與碳化鉻涂層高線速度磨損行為研究［J］. 摩擦學學報：2022， 42（6）：1216-1225.

XU Yiren， ZHU Tianyi， LI Yongjian， et al. Study on Wear Behavior of Cobalt Based Alloy Brush Bristles and Chromium Carbide Coating under High Linear Speed［J/OL］. Tribology， 2022， 42（6）：1216-1225.

［6］? LEBECK A O. Principles and Design of Mechanical Face Seals［M］. New York：Wiley， 1992.

［7］? ATKINSON E， BRISTOL B. Effects of Material Choices on Brush Seal Performance［J］. Lubrication Engineering， 1992（9）：740-746.

［8］? 朱宗舉. 刷式密封的設計與應用［J］. 燃氣輪機技術， 2005， 18（3）：68-72.

ZHU Zongju. Design and Application of Brush Seal［J］. Gas Turbine Technology， 2005， 18（3）：68-72.

［9］? FELLENSTEIN J A， DELLACORTE C. A New Tribological Test for Candidate Brush Seal Materials Evaluation［J］. Tribology Transactions， 1996， 39（1）：173-179.

［10］? FELLENSTEIN J A， DELLACORTE C， MOORE K D， et al. High Temperature Brush Seal Tuft Testing of Metallic Bristles Versus Chrome Carbide［C］∥32nd Joint Propulsion Conference Cosponsored by AIAA， ASME， SAE， and ASEE. Lake Buena Vista， Florida， 1996：2968.

［11］? FELLENSTEIN J A， CHRISTOPHER D. Preliminary Tuft Testing of Metallic Bristles Versus PS212， PS300， and HVOF300［C］∥ the Society of Tribologists and Lubrication Engineers. Detroit， 1998：1-10.

［12］? FELLENSTEIN J A， DELLACORTE C， MOORE K D， et al. High Temperature Brush Seal Tuft Testing of Selected Nickel-chrome and Cobalt-Chrome Superalloys［C］∥33rd Joint Propulsion Conference cosponsored by AIAA， ASME， SAE， and ASEE. Seattle， 1997：2634.

［13］? DERBY J， ENGLAND R. Tribopair Evaluation of Brush Seal Applications［C］∥28th Joint Propulsion Conference and Exhibit. Nashville， 1992：3715.

［14］? 何立東， 袁新， 尹新. 刷式密封研究的進展［J］. 中國電機工程學報， 2001， 21（12）：28-32.

HE Lidong， YUAN Xin， YIN Xin. The Advance in the Investigation of Brush Seal［J］. Proceedings of the CSEE， 2001， 21（12）：29-33.

［15］? 劉笑笑， 任先京， 章德銘， 等. 刷式密封轉子涂層材料研究［J］. 熱噴涂技術， 2011， 3（4）：49-52.

LIU Xiaoxiao， REN Xianjing， ZHANG Deming， et al. Research of the Coating Material on Brush Seal Rotor Surface［J］. Thermal Spray Technology， 2011， 3（4）：49-52.

［16］? 李理科， 王之櫟， 宋飛， 等. 刷式密封溫度場數值研究［J］. 航空動力學報， 2010， 25（5）：1018-1024.

LI Like， WANG Zhiyue， SONG Fei， et al. Numerical Investigation of Temperature Field in Brush Seals［J］. Journal of Aerospace Power， 2010， 25（5）：1018-1024.

［17］? 孫丹， 李國勤， 艾延廷， 等. 基于三維實體建模的刷式密封傳熱機理數值研究［J］. 航空動力學報， 2019， 34（8）：1633-1643.

SUN Dan， LI Guoqin， AI Yanting， et al. Numerical Study on Heat Transfer Mechanism of Brush Seal Based on Three-dimensional Solid Modeling［J］. Journal of Aerospace Power， 2019， 34（8）：1633-1643.

［18］? 牛少鵬. NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF自潤滑涂層制備與性能研究［D］. 長沙：中南大學， 2013.

NIU Shaopeng. Study on Preparation and Properties of NiCr/Cr3C2-BaF2·CaF2 Self-lubricating Coating［D］. Changsha：Central South University， 2013.

［19］? HENDRICKS R C， SCHLUMBERGER S， BRAUN M J， et al. A Bulk Flow Model of a Brush Seal System［C］∥ASME 1991 International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition：Turbomachinery. Orlando， Florida， 1991：91-325.

［20］? RABEN M， FRIEDRICHS J， FLEGLER J. Brush Seal Frictional Heat Generation Test Rig Design and Validation under Steam Environment［J］. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power， 2017， 139（3）：032502.

［21］? PFEFFERLE D， DULLENKOPF K， BAUER H J. Design and Validation of a New Test Rig for Brush Seal Testing under Engine Relevant Conditions［C］∥ ASME 2011 Turbo Expo：Turbine Technical Conference and Exposition. Vancouver， British Columbia， 2011：679-689.

［22］? DEMIROGLU M， TICHY J A. An Investigation of Heat Generation Characteristics of Brush Seals［C］∥ASME Turbo Expo：Power for Land， Sea， & Air. Montreal， 2007：1261-1270.

［23］? FLOUROS M， STADLBAUER M， COTTIER F， et al. Transient Temperature Measurements in the Contact Zone Between Brush Seals of Kevlar and Metallic Type for Bearing Chamber Sealing Using a Pyrometric Technique［C］∥Turbo Expo：Power for Land， Sea， and Air. Copenhagen， Denmark， 2012：73-80.

［24］? DEVILLE I， ARGHIR M. Experimental Analysis of Small Diameter Brush Seals and Comparisons with Theoretical Predictions［J］. Journal of Tribology， 2019， 1411（1）：012201.

［25］? RUGGIERO E J. Exploratory Work in Fiber Optic Brush Seals for Turbomachinery Health Prognostics［C］∥ Smart Materials， Adaptive Structures and Intelligent Systems. Oxnard， California， 2009：175-186.

［26］? 黃首清. 刷式密封的介質流動及刷絲尖端接觸傳熱特性研究［D］. 北京：清華大學， 2015.

HUANG Shouqing. Research on the Flow Field and Bristles Tip Contact Heat Transfer Characteristics of Brush Seals［D］. Beijing：Tsinghua University， 2015.

［27］? 吳施志， 江平， 力寧， 等. 刷式密封摩擦生熱溫度場數值計算及試驗［J］. 航空動力學報， 2019， 34（4）：737-743.

WU Shizhi， JIANG Ping， LI Ning， et al. Numerical Calculation and Experiment on Temperature Field of Friction Heat Generation of Brush Seal［J］. Journal of Aerospace Power， 2019， 34（4）：737-743.

［28］? 孫丹， 李浩， 趙歡， 等. 刷式密封摩擦熱效應數值與實驗研究［J］. 航空學報， 2022， 43（12）：1-16.

SUN Dan， LI Hao， ZHAO Huan， et al. Numerical and Experimental Study of Frictional Thermal Effects of Brush Seals［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（12）：1-16.

［29］? 袁瑋. 刷式密封接觸分析及磨損特性的研究［D］. 西安：西北工業大學， 2004.

YUAN Wei. Study on Contact Analysis and Wear Characteristics of Brush Seal［D］. Xian：Northwestern Polytechnical University， 2004.

［30］? 《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊［M］.北京：清華大學出版社， 2013.

Editorial Committee of China Aeronautical Material Handbook. China Aeronautical Material Handbook［M］. Beijing：Tsinghua University Press， 2013.

（編輯? 袁興玲）

作者簡介：

楊藝瀟，男，1999年生，碩士研究生。研究方向為刷式密封摩擦磨損特性。E-mail：sau_yixiao_yang@163.com。

孫? 丹（通信作者），男，1981年生，教授、博士研究生導師。研究方向為航空發動機先進密封技術。E-mail：phd_sundan@163.com。