压气机叶片叶尖电沉积Ni-cBN复合镀层的研究

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钛合金材料耐磨性较差,容易导致压气机叶片叶尖和机匣封严涂层的间隙增大,增大径向气流损失,降低发动机效率和增大油耗。为了提高航空发动机的工作效率和压气机叶片的使用寿命,需要在航空发动机压气机叶片叶尖涂敷一层耐磨封严涂层。本课题选用cBN颗粒作为强化相,在氨基磺酸镍体系下复合电沉积Ni-cBN复合镀层作为航空发动机压气机叶片叶尖的封严涂层。研究了前处理工艺对复合镀层和基体之间结合强度的影响,通过电化学测试、形貌观察等对前处理工艺进行研究。研究了工艺参数(镀液中cBN的浓度、阴极电流密度、搅拌强度等)对复合镀层复合量的影响,测试了Ni-cBN复合镀层的性能,并对复合电沉积机理进行了探讨。并且对复合镀层进行拓展研究,将cBN和h BN一起作为强化相,制备Ni-cBN/h BN复合镀层,研究了不同比例的cBN和h BN对复合镀层综合性能的影响,对Ni-cBN/h BN复合镀层的摩擦磨损机理进行探讨。主要的研究结果如下:二次浸锌处理可以提高钛合金基体和复合镀层的结合强度,二次浸锌处理后复合电沉积得到的复合镀层的结合强度为70Mpa,未处理得到的复合镀层的结合强度为36Mpa,相比于未处理得到的复合镀层,提高了48.5%。浸锌过程中,浸锌液中的Zn2+与钛发生置换镀在钛合金表面形成一层晶须状的浸锌层,浸锌层保护了钛合金表面的活性状态。在钛合金化学预镀镍的初始阶段,Ni2+与浸锌层发生置换镀在钛合金表面沉积形成金属镍核,金属镍核对次亚磷酸钠的氧化有催化作用,使得镍的沉积持续进行。复合电沉积过程中,镀层和cBN颗粒之间通过界面作用力结合,界面作用力的大小为3900N/m~2,同时界面作用力的大小,决定着基质金属和cBN颗粒之间的结合强度。并且cBN颗粒进入基质金属镀层存在两种方式;一种是cBN颗粒被基质金属镍层从下到上逐渐包裹;另一种是部分有良好导电性的cBN颗粒表面会直接沉积金属镍,cBN颗粒被基质金属镍层和沉积在cBN表面的金属镍一同包裹。Ni-cBN复合镀层制备的最佳工艺:镀液中cBN的浓度为70g/L,搅拌强度为321r/min,阴极电流密度为3A/dm~2,复合镀层的复合量为14.5%。采用包埋法进一步提高复合镀层的复合量,复合镀层的复合量最高可达45%。Ni-cBN复合镀层性能研究发现,复合镀层的硬度随着复合镀层的复合量增大而增大,在复合量为14.5%时,复合镀层的硬度为1166HV,较纯镍镀层提高了185.5%,采用包埋法得到的复合镀层的硬度最高可达1751HV,较纯镍镀层提高了330%。cBN颗粒与基质金属之间有良好的结合强度,对磨时不易脱落,复合镀层表面的c Bn颗粒减小了对磨副与金属基体的接触面积,cBN复合量为14.5%的复合镀层的磨损率仅为0.038 kg/m~3,摩擦系数在0.25~0.32之间,与钛合金基体的磨损率相比,降低了90%。与纯镍镀层和钛合金基体的摩擦系数相比,复合镀层的摩擦系数更小,摩擦环境更稳定。Ni-cBN/hBN复合镀层性能研究发现,随着cBN比例的增加,复合镀层的硬度逐渐增大,复合镀层的摩擦系数也逐渐增大,复合镀层的磨损率也随之增大,当cBN:h BN=5:1时,Ni-cBN/h BN复合镀层能够得到较好的综合性能,硬度为1324HV,摩擦系数为0.43,较纯cBN的复合镀层的摩擦系数,降低了28%。磨损率为0.32kg/m~3,较纯cBN的复合镀层,降低了45%。Ni-cBN/h BN复合镀层对磨时,复合镀层表面的h BN颗粒会形成润滑膜,降低复合镀层的摩擦系数,复合镀层表面的cBN颗粒会阻碍hBN形成连续、均匀的润滑薄膜。
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