【摘 要】
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刷式封严涡轮转子轴作为航空发动机的核心部件,长期处于高转速、高温燃气、强熔盐腐蚀和强热循环等恶劣环境中,为其提高服役寿命至关重要。Inconel 718高温合金由于其具有稳定的化学成分、能抵抗疲劳断裂和各种腐蚀以及稳定的机械性能,被主要用于制作涡轮转子轴,但其硬度低,耐磨性差,故刷式封严涡轮转子轴表面需要涂覆一层多功能耐磨复合涂层。本研究主要将耐磨性好的Stellite 3合金粉末以及固体润滑相T
【基金项目】
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国家自然科学基金，航空发动机刷式封严涡轮转子轴激光制备自润滑复合涂层性能调控及耐磨减摩机理研究（52075559），2021.01-2024.12,58万；
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刷式封严涡轮转子轴作为航空发动机的核心部件,长期处于高转速、高温燃气、强熔盐腐蚀和强热循环等恶劣环境中,为其提高服役寿命至关重要。Inconel 718高温合金由于其具有稳定的化学成分、能抵抗疲劳断裂和各种腐蚀以及稳定的机械性能,被主要用于制作涡轮转子轴,但其硬度低,耐磨性差,故刷式封严涡轮转子轴表面需要涂覆一层多功能耐磨复合涂层。本研究主要将耐磨性好的Stellite 3合金粉末以及固体润滑相Ti3SiC2和Cu用于复合涂层粉末体系,利用激光器在Inconel 718高温合金上熔覆出六种不同物质含量的复合涂层,分别为 100wt.%Stellite 3、5wt.%Ti3SiC2、10wt.%Ti3SiC2、15wt.%Ti3SiC2、10wt.%Cu 和 5wt.%Ti3SiC2+10wt.%Cu,利用各种表征方法（扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪等）研究其机械性能、抵抗磨损的能力以及氧化特性。添加Ti3SiC2涂层中的主要物相均为固溶体γ-Co和（Fe,Ni）、碳化物WCx和Cr7C3以及金属间化合物Cr2Ni3,而添加Cu的涂层存在Cu的衍射峰。因添加物质量不同,导致涂层的组织结构演变不同,涂层性能也有差异。具体表现在:未添加Cu的四种复合涂层的主要显微组织分别为树枝晶、等轴晶、胞枝晶和胞状晶,两种含Cu涂层中的显微组织结构主要由浅灰色枝晶、深灰色枝晶间和黑色的胞枝晶构成。六种复合涂层的平均显微硬度分别为:740.10 HV0.5、662.74 HV0.5、521.47 HV0.5、419.44 HV0.5、701.67 HV0.5 和 490.02 HV0.5,由于激光熔覆中产生的弥散强化、固溶强化和细晶强化,涂层硬度相对于基体都有不同程度的提升。添加Ti3SiC2涂层的抗氧化性能被探究,由数据结果可知四种涂层的氧化程度均不严重,氧化动力学曲线表明基体和四种复合涂层分别增重26.56和24.39、22.03、14.14、17.03 mg/cm2,氧化速率常数分别为 2.674、2.374、2.345、1.109、2.019 mg2/（cm4.h）。基体表面主要是Cr和Fe的氧化物,涂层表面则出现了 Ti、Si和W的氧化物。Ti和Si氧化物的存在,是涂层抗氧化性能提高的主要原因。另外,添加5 wt.%Ti3SiC2涂层的氧化表面形貌平整,无明显剥落痕迹,整体表现出更佳的抗氧化性。从磨损数据结果可知:室温下,基体和六种涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为 0.687、0.605、0.546、0.572、0.571、0.664、0.718 和 3.84×10-4、2.19×10-5、5.51×10-5、6.24×10-5、1.96×10-4、4.76×10-5、4.45×10-6 mm3/（N· m）。高温下,基体和六种涂层的平均摩擦系数和磨损率分别为0.671、0.543、0.656、0.678、0.676、0.544、0.579 和 2.98×10-4、1.32×10-4、6.75×10-5、6.09×10-5、6.36×10-5、1.19×10-4、9.93×10-5 mm3/（N·m）。未添加 Ti3SiC2 的复合涂层在高温下的摩擦系数在整个研究涂层体系中最低,其磨损主要由粘着和轻微氧化导致;而最低的磨损率出现在室温下的5%Ti3SiC2+10%Cu复合涂层中,其磨损主要由粘着和氧化膜脱落导致。总的来说,Cu和Ti3SiC2协同润滑,一起提高涂层磨损特性。本文深入探讨了 Stellite 3、Ti3SiC2和Cu在涂层中的作用,将为丰富激光熔覆材料体系提供理论依据,也为提高涡轮转子轴的服役寿命提供技术参考。
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