刷式密封转子涂层材料研究
刘笑笑，任先京，章德铭，刘建明
热 喷 涂 技 术2011 年 12 月
摘 要：随着航空航天技术的发展，有关密封技术的研究逐渐增多。刷封技术可以大幅降低发动机的气体泄漏，提高其工作效率，将成为沿用多年的蓖齿密封的替代品。本文介绍了刷式密封的发展、工作结构及其使用材料，着重介绍了刷式密封转子表面涂层材料的研究进展。
关键词：刷式密封；蓖齿密封；涂层；材料；热喷涂
在航空发动机和燃气轮机的设计中，密封技术已成为影响发动机性能和寿命的重要因素。为提高发动机工作效率，自二十世纪 80 年代以来，欧美发达国家投入大量人力物力发展密封技术，发动机也经历了从传统的梳齿密封、金属蜂窝式密封到最新的刷式密封技术[1]。
目前，先进航空发动机和燃气轮机设计和制造中采用的刷式密封是一种接触性密封[2]，在转动瞬间大幅径向位移后可保持密封间隙不变，大大提高转动部件的运行稳定性。二十世纪七十年代中期，罗·罗公司（Rolls- Royce Group Plc）首先提出刷式密封概念并开始设计实验研究[3]。到二十世纪八十年代，刷式密封设计和制造技术取得了突破性进展，在进行了各种实验并验证了刷式密封的优异密封性能后，于 1983 年在英国 RR 公司的 RB199 发动机上首先采用了刷式密封[4]80 年代中期，美国从英国引进刷式密封技术，结合 IHPTET 规划的要求[5]，将刷式密封的研制和开发推向高潮。目前美国等航空发动机研究机构对刷式密封进行了大量的试验台实验，并开发了计算机程序，使刷式密封技术日益成熟。美国在 PW4000 等多种军、民用发动机上采用刷式密封，增加了发动机推力，降低了耗油率和飞行成本。与传统的迷宫式密封相比，刷式密封具有优异的密封性能，它的泄露率仅为 10%~50%。此外，它还有发热量低，维护工艺简单、使用寿命长并对转子轴系有阻尼作用等优点[6- 8]。
1 刷式密封结构及刷式密封涂层材料
1.1 刷式密封结构
刷式密封中，主要部件为刷丝，其为一束捆扎在一起的高密集度、按一定角度（30~60（o））规则排列的圆界面弹性金属细丝，刷毛束的宽度一般为0.76mm，其自由端与轴表面相接，初始干涉大约为0.1mm[9]。刷毛接触的转子轴表面（跑道）上所覆盖一层高温耐磨自润滑涂层，可以采用等离子或爆炸喷涂确保涂层牢固地敷在基体上，加工后涂层材料厚度应保持在 0.15~0.25 范围内，精加工跑道表面粗糙度应优于 Ra0.35μm。涂层降低了在高温燃气环境下转子轴的磨损，以及减少了刷毛的磨损量。
刷式密封结构如图 1 所示[10]。刷式密封的刷丝具有柔性[11]，造成的轴表面磨损很小，能适应转子的瞬间径向变形或偏心运动，因此能做到在保证安全的前提下尽量减小密封间隙，同时增加了转子震动阻力，有利于改善转子的稳定性。
1.2 刷式密封转子表面涂层材料
分析刷式密封工作原理可知，刷毛与转子表面涂层的配合是其在工作过程中的关键之一。由于刷式密封的运动副处于高温、高速、长时的运行状态，对摩擦副的材料、涂层提出了很高的要求。刷式密封的刷丝束和转轴表面涂层材料的基本设计原则是：以保护轴涂层为前提，使刷丝磨损量达到最小。据此，国内外学者以刷毛与涂层的高速、高温摩擦磨损试验，通过对比试验数据来选择合适的刷毛、涂层配合。
根据长期试验的大量结果表明[12]，刷丝材料需有高熔点、高硬度、高抗氧化性和低摩擦系数。可能适用于刷丝的材料为有两类，一类为钴基高温合金，如 GH605（Haynes25）或 Haynes214；另一类为镍基高温合金，如 GH4145（Inconel X750）。
高温合金及一些陶瓷材料可能适用于轴表面涂层[13]。 NiCr+Cr3C2为一组常用的自润滑涂层材料，它可以与高温镍基合金刷丝形成很好的配合[14]。采用 NiCr+Cr3C2的混合合金粉末可在转子表面采用激光熔覆制得以组织致密、凝固快速的 M7C3为耐磨相、以镍基高温合金为基体的刷式密封高温耐磨复合材料涂层[15]。
随着刷式密封在航空发动机上的应用，对能在较宽范围、高速、长时间条件下使用的耐久固体润滑材料的需求逐渐增大。传统的自润滑材料已经难以满足要求。在已成熟应用的 Ni 基高温合金基础上，国外研究者[16]做出一个重大改进，将金属氟化物共晶体经渗透分散在多孔的 Ni 基合金中。金属氟化物摩擦系数小，随着温度的升高，其摩擦系数减小，是制造高温自润滑涂层得主要组分。有测试表明，在 600℃左右的温度范围内，在镍基合金上喷涂含氟化物的涂层后，摩擦系数比之前涂层减小了 4 倍，而磨损率则降低千倍以上。国内北京矿冶研究总院采用 NiCr 合金粉末、高纯碳化铬粉末、分析纯 CaF2及 BaF2粉末以及添加金属粉末作为高温耐磨自润滑复合粉末的原料，采用无重力混合均匀化技术将三种粉末加以均匀混合得到化学成分、粒度、流动性等满足喷涂要求的复合粉末，通过爆炸喷涂制备出优良的自润滑涂层。此外，国内也有人采用激光熔覆技术以 NiCr- Cr3C2- CaF2/BaF2及Ag 混合粉末为原料的涂层[17]，在镍基高温合金表面制备涂层。该涂层是以 NiCr 镍基高温合金固溶体为基体、以 Cr7C3高硬度碳化物为高温耐磨相、以CaF2/BaF2共晶为高温自润滑相、以金属 Ag 为中低温自润滑相的复合涂层材料，与金属基材之间为完全冶金结合，其平均硬度约为 HV1000、耐磨相体积分数最高可达 80%以上。
美国所研究开发的各种配比自润滑涂层材料现已成熟应用[18]，如 PS/PM200 系列、PS/PM212 及PS/PM300 系列等。其中 PS/PM200 系列涂层作为可以在较宽温度范围下使用的长寿命、耐磨自润滑涂层取得显著成功，但其价格昂贵，并且使用温度不超过 800℃，不宜在高温强氧化环境中长期使用。
PS/PM212 新型高温耐磨自润滑涂层材料的主要特点之一，是以氟化物作为润滑组成。氟化物（CaF2、BaF2）是性能优越的高温润滑材料，将其与其他金属陶瓷复合使用，可发挥其较好的高温润滑效果。
此外，由 62% CaF2- 38%BaF2组成的共晶体具有比其他单纯氟化物更好的润滑性能。经耐久试验证实，爆炸喷涂的含氟化钡和氟化钙的碳化铬涂层除与刷丝接触的部分发生磨损外，其他表面未见裂纹、剥落等缺陷。PS/PM300 是美国国家航空航天局（NASA）用氧化物代替碳化物开发的新一类高温耐磨自润滑涂层材料。它具有在高温、大气条件下更好的摩擦性能，该复合材料可在 - 185℃的低温到900℃左右范围内使用。
随着航空发动机工作温度的不断升高，金属材料基高温自润滑耐磨复合材料涂层难以满足压气机特别是涡轮燃气高温密封跑道的性能要求，为此，需要对对多种陶瓷材料进行对比研究，以找到合适的陶瓷基高温自润耐磨复合涂层新材料。研究表明，由于 Al2O3陶瓷耐高温能力强，热膨胀系数较低，是一种可能的涂层材料。ZrO2的综合性能较好，其热膨胀系数在陶瓷材料中最接近金属材料，导热系数为 Al2O3的 1%左右，还具有较高的抗弯强度和较好的断裂韧性，尤其是部分稳定的 ZrO2特有的微裂纹和相变增韧机制，使其抗热冲击性能非常好。在工程应用中，刷丝为 Haynes25，轴表面涂层为 ZrO2的组合是一种常见的材料组合[19- 20]。此外，Al2O3- CaF2及 Al2O3- NiO 陶瓷粉末为原材料，采用激光熔覆涂层技术在金属及氧化铝结构陶瓷基材上可以制得以氟化钙及氧化镍为高温自润滑相、以三氧化二铝为基的氧化物陶瓷基复合材料高温自润滑涂层[17]。室温干滑动磨损试验结果表明，与激光熔覆 100% Al2O3相比，此种陶瓷基高温自润滑陶瓷基复合材料涂层耐磨性最高可提高近 40 倍、摩擦系数也显著降低。
2 结论
与蓖齿密封相比，刷式密封可降低发动机泄漏量，在提高工作效率的同时还可以增加转子震动阻力，改善了转子的稳定性，是航空航天工业中一种先进的密封技术。
刷毛与转子表面涂层的配合是其在工作过程中的关键之一，刷式密封的运动副、摩擦副的磨合情况决定了两者的材料必须通过对比试验进行配合使用，最终达到既保护了轴涂层，又能使得刷丝磨损量达到最小。
根据长期试验的大量结果表明，可能适用于刷丝的材料主要为钴基和镍基合金两类，可能适用于轴表面涂层的材料包括：镍基合金及 ZrO2、Al2O3等陶瓷材料。
参考文献略
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