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

    封嚴(yán)涂層廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪中，起到保護(hù)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(jī)為例：高壓渦輪與機(jī)匣間隙每減少0.254 mm，渦輪效率提高約1%；壓氣機(jī)的徑向間隙每增加 0.076 mm，單位耗油率增加約1%。

    由于應(yīng)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(yán)涂層與葉片這一摩擦副的摩擦學(xué)行為缺乏系統(tǒng)的研究，導(dǎo)致實際應(yīng)用中出現(xiàn)葉片磨損、涂層材料粘附葉片等嚴(yán)重威脅發(fā)動機(jī)運行安全的問題；封嚴(yán)涂層的設(shè)計、制備和應(yīng)用也缺乏必要的理論指導(dǎo)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(xué)課題組在國內(nèi)率先開展這方面的研究，自主設(shè)計建造了國內(nèi)首臺模擬封嚴(yán)涂層與葉片極端工況下摩擦磨損行為的試驗機(jī)，后期又陸續(xù)研發(fā)了升級版的二代、三代試驗機(jī)，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(yīng)用工況條件密切相關(guān)，低單次切入量和高線速度時粘附最為嚴(yán)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?xí)r強(qiáng)烈的摩擦熱導(dǎo)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(jī)理。進(jìn)一步對CuAl-Nig涂層與GH4169葉片摩擦副的研究復(fù)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)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(jìn)給率時葉片磨損最為嚴(yán)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(dǎo)，提出了剪切唇的形成機(jī)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(yán)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(rèn)識到摩擦熱在高速摩擦磨損時對材料摩擦學(xué)行為的巨大影響。研究建立了高速刮擦中的一維熱傳導(dǎo)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(dǎo)致了涂層粘附葉片或者葉片磨損的摩擦學(xué)行為。

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

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