【摘 要】
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随着高性能航空发动机需求的提出,先进密封技术的需求愈加重视。作为航空发动机重要的功能性部件,气路和油路动态密封装置不但对提升航空发动机的性能具有重要影响,而且对当前提出的航空发动机延寿技术起着至关重要的作用。我国现有动态密封寿命相较于外国还有很大进步空间,其中通过密封配副的先进耐磨涂层技术近年来受到广泛关注。为此,本研究针对指尖密封等接触式密封实际工况下的耐磨涂层热特性和摩擦机理开展研究,对开发长
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:52075436）“指尖密封摩擦配副耐磨涂层与表面织构高温超高速协同润滑机理及服役性能研究”；
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随着高性能航空发动机需求的提出,先进密封技术的需求愈加重视。作为航空发动机重要的功能性部件,气路和油路动态密封装置不但对提升航空发动机的性能具有重要影响,而且对当前提出的航空发动机延寿技术起着至关重要的作用。我国现有动态密封寿命相较于外国还有很大进步空间,其中通过密封配副的先进耐磨涂层技术近年来受到广泛关注。为此,本研究针对指尖密封等接触式密封实际工况下的耐磨涂层热特性和摩擦机理开展研究,对开发长寿命动态密封技术具有重要研究价值。研究结合NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo耐磨涂层具有的宽温域摩擦学优越特性以及磨损率较低的特点,提取航空发动机典型气路应用工况,开展NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo耐磨涂层在指尖密封配副中的接触特性、热特性仿真以及摩擦学机理研究,并开展指尖密封配副耐磨涂层特性台架试验研究,综合评价该涂层用于指尖密封工况下的摩擦磨损性能与密封性能。主要研究内容与结论如下:1)通过指尖密封配副耐磨涂层动态仿真,获得指尖靴/转子间平均接触压力与迟滞率分别随转速与压差的变化规律,并以指尖靴/转子间平均接触压力与迟滞率作为评价指尖密封寿命和泄漏的性能指标,通过动态仿真获得转速与指尖靴/转子间平均接触压力,并以PV值作为后续仿真以及试验的等效载荷与转速条件;对指尖密封配副耐磨涂层进行接触特性仿真分析,获得不同AgMo固体润滑相含量对接触应力的影响规律,为后续涂层制备的组分选择提供依据。结果表明同转速下添加该耐磨涂层后,指尖靴/转子间平均接触压力相较于r涂层配副减少了20.67%～22.34%,相同压差条件下,平均接触压力比Cr3C2涂层配副减小了14.32%～25.68%。对配副的接触力学特性仿真分析表明最大应力出现在对磨件（指尖靴）接触部位的边缘,且耐磨涂层最大应力随涂层中AgMo含量的增加而减小,对磨件、结合层和基体反之。2)在考虑指尖密封摩擦生热和环境温度工况条件下进行了耐磨涂层的热分析仿真,获得了摩擦生热对耐磨涂层温度和应力分布的影响规律。研究结果表明,添加该耐磨涂磨涂层后表面温度相较于无涂层以及Cr3C2涂层时,表面温度得到有效降低,其原因是该耐磨涂层大大降低了摩擦系数;耐磨涂层的应力随着载荷、转速、环境温度的升高而升高,添加该耐磨涂层后应力相较于无涂层以及Cr3C2涂层应力较小。3)研究NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo耐磨涂层硬度、结合力、组分等物理特性,并通过效盘销等效试验研究了指尖密封配副耐磨涂层摩擦的摩擦学机理。结果表明:该涂层的法向和切向的显微硬度值一致,HRC均在55左右;850℃水冷至20℃极端条件下涂层热震特性稳定;涂层的拉伸结合强度为34.21MPa,结合强度可靠;摩擦学特性试验结果表明,常温、8N载荷下涂层摩擦系数平均值为0.139,比无涂层时的基体GH4169摩擦系数0.608减小77.13%,耐磨涂层磨痕轮廓平滑,其主要磨损形式为磨粒磨损和粘着磨损,同时对磨件GH605的磨损率相较于无涂层时显著降低,耐磨特性良好。常温、相同载荷条件下,该涂层相较于Cr3C2、A12O3、PTFE、WC四种涂层的摩擦系数小且稳定;在400～600℃条件下的高温摩擦学试验结果表明,NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂层摩擦系数随着温度的升高而降低,在指尖密封常用的600℃温度工况下,摩擦配副表面生成了NiMoO4起到润滑作用,使得其摩擦系数也从400℃的0.438降为0.268,大大降低了高温下的磨损量。4)在相同工况条件下,进行了 NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo耐磨涂层和Cr3C2硬质合金耐磨涂层的指尖密封台架试验研究。试验结果表明,静态条件下,NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo耐磨涂层指尖密封的泄漏率与Cr3C2涂层的泄漏率无明显差异,在0.3MPa压差、6000r/min转速、2小时动态试验后其泄漏率相较于Cr3C2涂层的指尖密封减小了 17.8%。指尖密封的磨损特性试验结果表明,NiCoCrAlY-Cr2O3-AgMo涂层的指尖密封摩擦性能优于Cr3C2涂层,其磨损量减小。
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