Table 1. FGH95鎳基高溫合金粉末的化學(xué)成分
| 項目 | 質(zhì)量分數(shù) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Cr | Co | Mo | W | Ti | 微量元素 | Ni | |
| 實測值 | 20.0 | 13.0 | 4.0 | 3.0 | 1.5 | 0.7 | 余量 |
分享：新型航空發(fā)動機用Ni－cBN主動切削涂層性能
提高發(fā)動機效率是航空領(lǐng)域研究的重點,氣流泄漏會降低發(fā)動機的效率,因此減少泄漏對于航空發(fā)動機的發(fā)展具有重要意義。通常在旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間設(shè)計密封系統(tǒng)以避免氣流發(fā)生泄漏。其中一種密封系統(tǒng)稱為篦齒密封,由旋轉(zhuǎn)部件上的篦齒和靜止部件上的襯套組成。在不對稱旋轉(zhuǎn)部件發(fā)生重大損傷或磨損時,帶有可磨耗材料的襯套可以使篦齒鰭片發(fā)生摩擦,同時保持有效的密封界面。采用控制密封結(jié)構(gòu)間隙來降低氣體泄漏的方法經(jīng)濟、有效[1]。為了防止轉(zhuǎn)子與靜子金屬對磨產(chǎn)生過高的溫度,一般將篦齒頂端加工成薄帶結(jié)構(gòu)。在篦齒頂端等關(guān)鍵部位制備防護涂層,以避免最開始轉(zhuǎn)動時的切入以及瞬態(tài)極端操作時產(chǎn)生的對磨對發(fā)動機造成損壞,并減小零件的磨損程度。制備防護涂層可以延長篦齒的使用壽命、降低其維護成本[2]。
通常采用表面處理法制備金屬表面耐磨防護涂層,表面處理法包括物理氣相沉積(PVD)[3]、化學(xué)氣相沉積(CVD)[4]、化學(xué)鍍[5]和復(fù)合電沉積[6]等,其中復(fù)合電沉積是生產(chǎn)金屬基復(fù)合涂層最重要的技術(shù)之一,其具有工藝簡單、沉積速率較快等優(yōu)點。含有固體顆粒的涂層,如SiC[7]、Al2O3[8]、WC[9]、碳納米管(CNT)[10]和金剛石[11]等具有較好的耐磨性和分散硬化性能。立方氮化硼(cBN)[12]具有類似于金剛石的優(yōu)異物理和化學(xué)特性,如高硬度、高熱導(dǎo)率、大帶隙和高擊穿場強等,因此cBN顆粒常被選為增強涂層耐磨性能的第二相。在篦齒型面等部位制備主動切削涂層的技術(shù)國外已發(fā)展較為成熟,相關(guān)產(chǎn)品已成熟應(yīng)用于新一代航空發(fā)動機中,cBN因具有良好的切削性、耐高溫性及電沉積適應(yīng)性,成為國外航空發(fā)動機組件主動切削涂層中最常使用的切削相。但在篦齒表面制備復(fù)合電沉積Ni－cBN主動切削涂層的公開報道較少。筆者制備了Ni－cBN復(fù)合電沉積涂層,研究了涂層的組織、結(jié)合強度、抗熱震性能及涂層對基體力學(xué)性能的影響,并驗證了復(fù)合電沉積工藝的效果。
1. 試驗材料及方法
1.1 試驗材料
試樣基體材料選用FGH95鎳基高溫合金,將霧化高溫合金粉末進行熱等靜壓成型后,再鍛造成型。制造出的高溫合金粉末的化學(xué)成分如表1所示。在600 ℃工作條件下,FGH95鎳基高溫合金具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[13]。對尺寸(直徑×厚度,下同)為25 mm×4 mm的試樣進行顯微組織分析和結(jié)合強度測試。對具備篦齒局部仿形齒尖和齒面結(jié)構(gòu)的模擬試樣進行涂層抗熱震性能測試(見圖1)。
圖 1 具備篦齒局部仿形齒尖和齒面結(jié)構(gòu)的模擬試樣外觀
1.2 涂層制備
在對試樣進行復(fù)合電沉積前,先用丙酮超聲清洗試樣表面,以除去表面油污。使用氯化鎳沖擊鍍液體系作為涂層沖擊預(yù)鍍液,制備預(yù)鍍層,以提高基體與Ni－cBN涂層的結(jié)合力。采用瓦特鍍液體系將磨料顆粒均勻、完整地鍍覆在試樣表面。使用的磨料顆粒為單晶立方氮化硼,名義粒度為140目(1目＝25.4 mm)。復(fù)合電沉積完成后采用真空熱處理爐對復(fù)合電沉積涂層進行熱處理,以消除涂層內(nèi)部應(yīng)力,熱處理工藝為：真空度不低于5×10－3 Pa,以10 ℃/min升溫速率升至400 ℃后保溫2 h,隨爐冷卻。
1.3 試驗方法
1.3.1 顯微組織觀察
使用掃描電子顯微鏡(SEM)對涂層厚度、Ni層厚度、涂層中cBN粒度、cBN埋深進行觀察,并觀察篦齒模擬試樣截面的Ni－cBN涂層組織[14]。
1.3.2 結(jié)合強度測試
首先在尺寸為25 mm×4 mm的FGH95試樣一面制備Ni－cBN涂層,利用釬焊的方法將圓片有、無涂層的兩個圓分別焊接在兩根尺寸為25 mm×50 mm的316不銹鋼接頭上；隨后依據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》將該釬焊試樣加工成拉伸試樣,并對試樣進行抗拉強度測試。由于Ni－cBN涂層的結(jié)合強度一般低于涂層與不銹鋼釬焊結(jié)合強度,也低于FGH95基體與不銹鋼釬焊結(jié)合強度,施加拉力后,涂層首先會從內(nèi)部或與FGH95的界面處斷開,因此可以通過這種方法來判斷Ni－cBN涂層的結(jié)合強度。
1.3.3 抗熱震性能測試
使用風(fēng)冷熱震的方法對試樣進行涂層抗熱震性能測試,具體測試方法為：將帶有Ni－cBN涂層的試樣放入600 ℃馬弗爐中,保溫10 min后去除,采用常溫壓縮空氣進行風(fēng)冷降溫3 min,然后再次將試樣放入600 ℃馬弗爐中保溫,如此循環(huán)1 200次或至涂層脫落。
1.3.4 涂層對基體力學(xué)性能的影響
依據(jù)GB/T 228.1—2010將FGH95合金基體加工成拉伸和持久力學(xué)性能試樣,采用復(fù)合電沉積工藝在試樣標(biāo)距區(qū)外表面制備Ni－cBN涂層,分別依據(jù)GB/T 228.1—2010和GB/T 228.2—2015 《金屬材料 拉伸試驗 第2部分：高溫試驗方法》對帶有涂層的力學(xué)試樣進行室溫和高溫(650 ℃)拉伸試驗,以及高溫持久力學(xué)性能測試。
2. 試驗結(jié)果
2.1 顯微組織形貌
涂層總厚度和Ni層厚度的測量結(jié)果如圖2所示,涂層總厚度由顆粒最高點到基體的距離決定。由表2可知：試樣涂層總厚度分別為132.01,102.28,136.38,92.38 μm,平均厚度為115.76 μm；試樣Ni層厚度分別為82.09,76.46,83.88,80.59 μm,平均厚度為80.76 μm。
圖 2 涂層總厚度和Ni層厚度的測量結(jié)果
2.2 結(jié)合強度
對Ni－cBN涂層釬焊試樣進行抗拉強度測試,試樣拉斷后,斷裂面均位于Ni－cBN涂層部位(見圖3)。試樣的抗拉強度測試結(jié)果為160～181.8 MPa。斷裂面均位于Ni－cBN涂層部位,因此試樣的抗拉強度即為涂層結(jié)合強度。
圖 3 Ni－cBN涂層釬焊試樣拉斷后的宏觀形貌
2.3 抗熱震性能
圖4為帶有Ni－cBN涂層篦齒模擬試樣600 ℃風(fēng)冷熱震1 200次后的宏觀及微觀形貌。由圖4可知：在經(jīng)歷了600 ℃風(fēng)冷熱震1 200次后,篦齒模擬試樣表面Ni－cBN涂層未發(fā)生開裂或涂層剝落現(xiàn)象,涂層整體保持完好,說明篦齒型面Ni－cBN主動切削涂層具有良好的抗熱震性能。
圖 4 帶有Ni－cBN涂層篦齒模擬試樣600 ℃風(fēng)冷熱震1 200次后的宏觀及微觀形貌
2.4 涂層對基體力學(xué)性能的影響
分別對有、無涂層的試樣進行室溫和高溫拉伸試驗,以及高溫持久力學(xué)性能測試,結(jié)果如表2～4所示。
Table 2. 有、無涂層試樣室溫拉伸試驗結(jié)果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率% | |
|---|---|---|---|---|---|
| 有涂層 | 實測值1 | 1 648 | 1 215 | 18.0 | 19.3 |
| 實測值2 | 1683 | 1 261 | 19.2 | 18.3 | |
| 實測值3 | 1 656 | 1 298 | 18.4 | 16.9 | |
| 無涂層 | 實測值1 | 1 654 | 1 229 | 18.4 | 22.7 |
| 實測值2 | 1 653 | 1 230 | 17.6 | 19.2 | |
Table 3. 有、無涂層試樣高溫拉伸試驗結(jié)果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率% | |
|---|---|---|---|---|---|
| 有涂層 | 實測值1 | 1 467 | 1 131 | 15.2 | 18.8 |
| 實測值2 | 1 597 | 1 141 | 16.4 | 18.8 | |
| 實測值3 | 1 470 | 1 132 | 15.2 | 17.2 | |
| 無涂層 | 實測值1 | 1 460 | 1 154 | 13.6 | 19.0 |
| 實測值2 | 1 482 | 1 188 | 16.0 | 19.0 | |
Table 4. 有、無涂層試樣高溫持久力學(xué)性能測試結(jié)果
| 項目 | 應(yīng)力/MPa | 斷裂時間/h | 斷后伸長率/% | |
|---|---|---|---|---|
| 有涂層 | 實測值1 | 1 034 | 44.6 | 6.8 |
| 實測值2 | 65.7 | 8.4 | ||
| 實測值3 | 43.2 | 6.4 | ||
| 無涂層 | 實測值1 | 26.2 | 5.2 | |
| 實測值2 | 34.2 | 8.0 | ||
由表2～4可知：有涂層試樣的室溫和高溫拉伸性能,以及高溫持久力學(xué)性能和無涂層試樣基本相當(dāng),制備Ni－cBN涂層未對FGH95基體的室溫和高溫力學(xué)性能造成不利影響。
3. 復(fù)合電沉積工藝驗證
對模擬試樣進行復(fù)合電沉積處理,復(fù)合電沉積后模擬試樣的宏觀形貌如圖5所示。由圖5可知：模擬試樣表面Ni－cBN主動切削涂層外觀良好、致密且均勻分布,涂層無裂紋、金屬瘤、漏鍍、翹起及剝落等現(xiàn)象,鍍覆效果均勻。
圖 5 復(fù)合電沉積后模擬試樣的宏觀形貌
在模擬試樣的截面切取試樣,試樣的SEM形貌如圖6所示。由圖6可知：Ni層在篦齒型面上的厚度為50～120 μm,涂層與基體結(jié)合緊密,cBN顆粒在齒狀結(jié)構(gòu)上分布均勻,Ni層與cBN顆粒各個接觸面均緊密結(jié)合。
圖 6 模擬試樣截面的SEM形貌
4. 結(jié)論
采用復(fù)合電沉積工藝在FGH95鎳基高溫合金和模擬試樣表面制備了平均厚度為115.76 μm 的Ni－cBN主動切削涂層。涂層與基體結(jié)合緊密,涂層結(jié)合強度大于160 MPa。涂層抗熱震性能優(yōu)異,600 ℃熱震1 200次后Ni－cBN涂層無裂紋及涂層剝落現(xiàn)象,涂層保持完好。涂層對FGH95基體力學(xué)性能無明顯影響。
復(fù)合電沉積工藝可在復(fù)雜型面篦齒表面制備與基體緊密結(jié)合、cBN顆粒分布均勻的Ni－cBN涂層,對復(fù)雜型面篦齒形成完整保護。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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