1月13日獲悉，中國科學院金屬研究所專用材料與器件研究部團隊對航空發(fā)動機封嚴涂層與葉片的研究獲得重要進展。

    封嚴涂層廣泛應用于航空發(fā)動機風扇、壓氣機和渦輪中，起到保護轉(zhuǎn)動部件，減小間隙和提高效率的作用。以一臺典型的渦扇發(fā)動機為例：高壓渦輪與機匣間隙每減少0.254 mm，渦輪效率提高約1%；壓氣機的徑向間隙每增加 0.076 mm，單位耗油率增加約1%。

    由于應用工況的特殊性：高速（百米/秒）、高溫（1000°C）和斷續(xù)刮擦，而長期以來封嚴涂層與葉片這一摩擦副的摩擦學行為缺乏系統(tǒng)的研究，導致實際應用中出現(xiàn)葉片磨損、涂層材料粘附葉片等嚴重威脅發(fā)動機運行安全的問題；封嚴涂層的設計、制備和應用也缺乏必要的理論指導和數(shù)據(jù)支撐，國內(nèi)多以照搬國外為主，經(jīng)常出現(xiàn)水土不服的問題。

    金屬所專用材料與器件研究部的空間熱控器件與材料摩擦學課題組在國內(nèi)率先開展這方面的研究，自主設計建造了國內(nèi)首臺模擬封嚴涂層與葉片極端工況下摩擦磨損行為的試驗機，后期又陸續(xù)研發(fā)了升級版的二代、三代試驗機，并開展了大量研究。

    近期，段德莉研究員、薛偉海博士、高禩洋博士等人研究發(fā)現(xiàn)Al-hBN涂層向葉片的粘附轉(zhuǎn)移與應用工況條件密切相關，低單次切入量和高線速度時粘附最為嚴重。通過對葉尖上涂層粘附層與原始涂層的對比表征分析，發(fā)現(xiàn)高速刮擦時強烈的摩擦熱導致涂層中金屬相Al發(fā)生熔融，在刮擦作用下向葉尖粘附是材料轉(zhuǎn)移的機理。進一步對CuAl-Nig涂層與GH4169葉片摩擦副的研究復現(xiàn)了發(fā)動機實際服役中常見的葉片剪切唇現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)高線速度和低進給率時葉片磨損最為嚴重，剪切唇體積最大。通過對葉片剪切唇的組織演化表征研究，基于高速斷續(xù)刮擦的特點，聯(lián)系高速摩擦熱在摩擦副雙方的分配與傳導，提出了剪切唇的形成機理。

圖 GH4169葉片高速刮擦中形成剪切唇的過程（a,b,c），典型剪切唇結(jié)構(gòu)（d）和對摩封嚴涂層中形成的轉(zhuǎn)移層（e）

    在對各種單個涂層研究工作的總結(jié)分析中，愈發(fā)認識到摩擦熱在高速摩擦磨損時對材料摩擦學行為的巨大影響。研究建立了高速刮擦中的一維熱傳導模型，發(fā)現(xiàn)對摩副材料的熱物性能對接觸區(qū)域的溫升速率有重要影響，從而導致了涂層粘附葉片或者葉片磨損的摩擦學行為。

    近年來，該課題組有關封嚴涂層方面的研究工作得到了國家自然科學基金、中航工業(yè)APTD、中航工業(yè)創(chuàng)新基金、中國科學院院級科研裝備和修購專項等項目的支持。

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責任編輯：王元

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