【論文推薦】中國(guó)航發(fā)航材院田浩亮團(tuán)隊(duì)論文：酸性鹽霧腐蝕對(duì)Al-BN涂層可磨耗性能的影響
2025-02-27 11:43:11
作者：房永超 來(lái)源：材料工程
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以鋁氮化硼（Al-BN）涂層為代表的可磨耗封嚴(yán)涂層多制備于航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣表面，用于防止葉片在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生碰撞損傷的同時(shí)，減小氣體泄漏，提升相應(yīng)工段整體氣密性。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)等裝備在海洋環(huán)境中的使用需求， Al-BN等涂層在海洋環(huán)境下因腐蝕等造成的組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，可能直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役安全性。近年來(lái)，雖有部分研究對(duì)Al-BN涂層腐蝕后的性能變化進(jìn)行了分析，但研究方法與真實(shí)服役工況差別較大，難以為相關(guān)涂層的設(shè)計(jì)改性提供有效指導(dǎo)。因此，亟須針對(duì)性開(kāi)展海洋環(huán)境損傷對(duì)Al-BN涂層組織結(jié)構(gòu)及性能影響的研究。
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
（1）證明了酸性鹽霧腐蝕192 h后的Al-BN涂層出現(xiàn)了涂層黏附對(duì)偶葉片的情況，刮磨過(guò)程中葉片高度升高，摩擦因數(shù)增大，即酸性鹽霧腐蝕削弱了Al-BN涂層的可磨耗性能。
（2）揭示了酸性鹽霧腐蝕后，Al-BN涂層表層產(chǎn)生的由未腐蝕Al金屬相、腐蝕產(chǎn)物Al2O3、黏結(jié)劑SiO2、腐蝕介質(zhì)NaCl以及殘留的BN相等構(gòu)成的腐蝕致密區(qū)是導(dǎo)致涂層可磨耗性能轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵。
（3）Al-BN涂層表面致密腐蝕層在刮磨過(guò)程中從涂層表面被刮離，并在黏附于對(duì)偶葉片的同時(shí)在涂層表面擠壓變形，從而造成Al-BN涂層刮磨機(jī)制由塑性變形、黏著磨損混合形式轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍ぶp、刮離黏附混合機(jī)制。
圖1為Al-BN涂層酸性鹽霧腐蝕前后的X射線(xiàn)衍射譜圖。由圖3可知，噴涂態(tài)涂層的成分為Al與BN。腐蝕態(tài)涂層的成分為Al、BN、NaCl、Al2O3。其中，Al2O3應(yīng)為腐蝕產(chǎn)物，這也與涂層表面幾乎被白色腐蝕產(chǎn)物覆蓋現(xiàn)象相吻合。
酸性鹽霧腐蝕192 h后的Al-BN涂層截面形貌如圖2（a-1），（a-2）所示，在面層頂部形成了厚度約為300～350 μm的腐蝕致密區(qū)，腐蝕致密區(qū)以外的Al-BN面層仍保持與噴涂態(tài)涂層相近的孔隙分布情況。腐蝕致密區(qū)內(nèi)部如圖2（b-1），（b-2），（c-1），（c-2）所示，在腐蝕致密區(qū)內(nèi)部局部位置可觀(guān)察到明顯的由Al元素與O元素構(gòu)成的腐蝕區(qū)域（標(biāo)記為D），與物相分析結(jié)果較為吻合。
圖2 腐蝕態(tài)Al-BN涂層背散射模式（1）與二次電子模式（2）截面形貌（a）低倍圖；（b），（c）高倍圖
Al-BN涂層腐蝕前后的平均表面硬度分別為（12.9±0.6）HBW與（11.3±1.5）HBW，平均結(jié)合強(qiáng)度分別為（13.3±1.0） MPa與（13.7±4.9） MPa，腐蝕后涂層的表面硬度與結(jié)合強(qiáng)度數(shù)值離散性增大。因此，酸性鹽霧腐蝕對(duì)Al-BN涂層的機(jī)械性能造成了顯著影響，該現(xiàn)象也與涂層可磨耗性能測(cè)試結(jié)果吻合。酸性鹽霧腐蝕后涂層的平均摩擦因數(shù)由0.34±0.02提升為0.55±0.03，進(jìn)給深度比IDR值由（11.43±0.46）%轉(zhuǎn)變?yōu)椋?2.02±0.38）%。
圖3為噴涂態(tài)Al-BN涂層刮磨面顯微結(jié)構(gòu)。從圖3（a）可以看出，噴涂態(tài)涂層的刮削表面呈現(xiàn)為典型的塑性變形磨損平面，刮磨面孔隙較少且可觀(guān)察到明顯的犁溝狀形貌。由圖3（b）~（d）可見(jiàn)，噴涂態(tài)涂層刮削面犁溝間為塑性變形區(qū)域與黏著磨損混合狀態(tài)，且可以觀(guān)察到含有Ti元素的對(duì)偶葉片掉落磨粒，說(shuō)明在TC17對(duì)偶葉片與噴涂態(tài)Al-BN涂層刮磨過(guò)程中對(duì)葉片造成磨損并引發(fā)葉片剝落。
圖3 噴涂態(tài)Al-BN涂層背散射模式（1）與二次電子模式（2）截面形貌（a）低倍圖；（b），（c）高倍圖
圖4為腐蝕態(tài)Al-BN涂層刮磨面顯微結(jié)構(gòu)。從圖4（a）可以看出，腐蝕態(tài)涂層刮磨面雖與噴涂態(tài)涂層類(lèi)似，均可觀(guān)察到明顯的犁溝形貌，但從圖4（b）中可以發(fā)現(xiàn)腐蝕態(tài)涂層在塑性變形與黏著磨損混合區(qū)以外，存在較寬的刮離區(qū)形貌。由圖4（c），（d）可知，刮離區(qū)與塑性變形區(qū)相間分布。因此，酸性鹽霧腐蝕192 h后，Al-BN涂層的可磨耗刮磨機(jī)制由塑性變形、黏著磨損混合形式轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍ぶp、刮離黏附的混合機(jī)制。
圖4 腐蝕態(tài)Al-BN涂層刮削面顯微形貌
（a）犁溝；（b）刮離區(qū)與磨損混合區(qū)；（c），（d）刮離區(qū)
酸性鹽霧腐蝕前后Al-BN涂層可磨耗行為轉(zhuǎn)變?nèi)鐖D5所示：首先，酸性鹽霧腐蝕192 h后，Al-BN涂層表面存在組織與結(jié)構(gòu)分布均勻性較差的腐蝕致密區(qū)，其呈現(xiàn)硬度與結(jié)合性數(shù)值離散性較大的特點(diǎn)；隨后，刮磨過(guò)程中涂層發(fā)生擠壓與塑性變形的同時(shí)，硬度較低或結(jié)合性較差的部分涂層被刮離，在對(duì)偶葉片的運(yùn)動(dòng)方向堆積，其中一部分被擠壓在涂層表面，另一部分黏結(jié)在對(duì)偶葉片摩擦端面；最后，隨著進(jìn)給深度的不斷增加，被刮離的涂層不斷增多，對(duì)對(duì)偶葉片的黏附不斷增加，最終導(dǎo)致對(duì)偶葉片高度的增加。同時(shí)，由于被刮離涂層在對(duì)偶葉片與涂層間不斷被擠壓，造成對(duì)偶葉片與腐蝕態(tài)涂層間相互作用過(guò)程相較于噴涂態(tài)涂層更為劇烈。
圖5 Al-BN涂層腐蝕后可磨耗性能演變機(jī)理示意圖
本團(tuán)隊(duì)依托于中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院與中國(guó)航發(fā)集團(tuán)航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，具備完善的航空用表面工程技術(shù)研發(fā)軟硬件實(shí)力。該研究受“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB3702004）”、“國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2017-VII-0012-0109）”、“國(guó)家自然科學(xué)基金（52075508，52305224）”、“中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目（CXPT-2023-028）”資助。
編輯：齊書(shū)涵
校對(duì)：齊 新
審核：趙 淼
房永超, 李姝, 劉振, 李彰, 王森源, 王長(zhǎng)亮, 田浩亮, 韓曉涵. 酸性鹽霧腐蝕對(duì)Al-BN涂層可磨耗性能的影響[J]. 材料工程, 2025, 53(2): 39-49.
FANG Yongchao, LI Shu, LIU Zhen, LI Zhang, WANG Senyuan, WANG Changliang, TIAN Haoliang, HAN Xiaohan. Effect of acid salt spray corrosion on abradability of Al-BN coatings[J]. Journal of Materials Engineering, 2025, 53(2): 39-49.
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