一种评价封严涂层和材料可刮削性能的方法
【专利摘要】本发明涉及封严涂层和材料领域，具体为一种评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，通过在高速高温刮擦磨损试验机上模拟工况条件下的刮削情况，建立磨损机制图，判断优化适用于相应服役条件的涂层和材料。本发明评价封严涂层和材料可刮削性能的实验方法，针对服役环境进行模拟高速与高温工况下的刮擦实验，获得具体摩擦密封副受到转速、温度、刮擦方式和刮擦速度与深度等条件影响下的测试数据，根据摩擦磨损机制的转型条件建立适宜的工程判据，适用于评价封严涂层和材料的可刮削性能，尤其对涡喷发动机气路密封的摩擦配副等在高速高温下的刮擦磨损行为评价具有工程意义，可为材料的高速高温摩擦学性能研究及新材料研发提供技术指导。
【专利说明】一种评价封严涂层和材料可刮削性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及封严涂层和材料领域，具体为一种评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，通过模拟工况的摩擦磨损对材料的摩擦学性能的评价。
【背景技术】
[0002]封严涂层和材料适用于可刮削的密封摩擦配副，以减小密封间隙，避免配副部件的摩擦损伤，提高密封效率。研究表明:在涡喷发动机气路密封中应用可刮削封严涂层，可使高压涡轮叶尖气路间隙减少0.254_，燃油效率可提高约1% ;使压气机径向间隙减小
0.076_，燃油效率可增加约1%。因此，在航空、舰船、汽车、电力等领域的关键密封部件中，应用该技术都取得了明显效果。
[0003]封严涂层和材料的服役工况十分苛刻，在涡喷发动机气路密封中为高速(一般超过百米/秒)和高温(从室温到高达IOO(TC)刮擦的复杂条件。而且各级部件处于不同的速度和温度参数匹配状况，风扇和压气机段需要的速度高，温度较低(一般低于450°c);涡轮段则因叶片直径相对较小而速度较低(大约在150?200米/秒)，温度则可高达1000°C以上。为保证封严涂层和材料具备可靠的使役性能，首先要求封严涂层和材料在与摩擦副发生接触和摩擦时具备优先被刮削的性能，且对转动部件(发动机的叶片或篦齿等)没有损伤或只产生可容忍的损伤，能准确配合或适应对摩副的形状以保证最适当的工作间隙。同时要求还具有良好的减摩性能以降低摩擦能耗，磨痕表面光滑平整且磨屑细小。针对各个部件所需的工况的不同，需要采用的多种涂层材料包括:易摩橡胶、硅藻土、铝硅合金、镍石墨、镍铬铝钇涂层，及氧化锆和氧化钇复合陶瓷涂层等等，材料则有耐磨自润滑材料和蜂窝材料等。它们除必须具有诸如耐磨、耐热、耐蚀、抗氧化、抗冲蚀等基本性能，还要满足在刮擦过程中的“可刮削性(abradability)”。
[0004]作为评价封严涂层和材料适用性的重要工程判据，“可刮削性(abradability)”首先要求封严涂层和材料在与摩擦副发生接触和摩擦时具备优先被刮削的性能，对转动部件(发动机的叶片或篦齿等)没有损伤或只产生可容忍的损伤，能准确配合或适应对摩副的形状以保证最适当的工作间隙。同时要求还具有良好的减摩性能以降低摩擦能耗，磨痕表面光滑平整且磨屑细小。
[0005]评价封严涂层和材料的可刮削性，必须采用模拟高速高温下刮擦的工况进行实验。已有的研究结果已经表明:采用单纯的测量硬度等机械物理性能和进行常规的磨损实验评价耐磨性，所得出的实验结果在评价可刮削性上与工程实际相差较大，并且对实际应用起不到指导的作用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种评价封严涂层和材料可刮削性能的试验方法，解决现有技术中可刮削性能试验方法存在着实验结果与工程实际情况相差大，无法对实际应用起到指导作用的问题。[0007]为了实现上述的目的，本发明采用的技术方案如下:
[0008]一种评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，通过在高速高温摩擦磨损试验机上进行模拟工况条件下的刮擦实验，建立磨损机制图，判断适用于服役条件下的涂层和材料，具体包括如下的步骤:
[0009]I)根据模拟工况的需要选定具体实验参数，并根据实验参数在计算机上编制实验程序，进行计算机模拟运行，确认过程无误，并保存备用；
[0010]此步骤的具体作用是:对设定的转速、温度、刮擦进给参数进行联调，使实验设定操作符合预期目的，并在计算机模拟运行中验证；
[0011]2)按照需要的实验参数对试验机进行调试，然后安装摩擦副样品运行试验机采集可直接测量的实验数据；
[0012]3)对测得的实验数据进行处理得到一系列汇总实验数据，绘制以实验参数为变量的磨损机制图，根据可刮削性判据判断适用于相应工况条件下的涂层和材料。
[0013]所述试验机采用专利号为200910249051.7的中国专利，专利名称:一种高速高温多功能摩擦磨损试验机。
[0014]所述试验机转速范围240?24000rpm.,相对运动线速度为10m/s?450m/s,加热温度从室温到1200°C，摩擦副以销/块或环/块方式进行刮擦和摩擦接触。
[0015]所述步骤2 )对试验机进行调试具体方法为:
[0016](I)设置变频调速参数及加速曲线以达到并控制实验要求的主轴速度；
[0017](2)对测速、测扭矩的扭矩仪进行调零处理，使转动样品销或环的空载速度达到稳定测试要求的条件，未加载时的扭矩值标定为零；
[0018](3)根据实验温度的要求，调节加热区域的大小和位置，进行样品加热控制；
[0019](4)选择转动样品销或环在平动样品块上的接触点，设定平动样品块与转动样品销或环开始刮擦的起点；
[0020](5)选择在平动样品块上的刮擦入侵速度和深度，设定刮擦磨损量。
[0021]所述实验参数包括:预置转速与目标速度曲线、相对运动线速度、预置温度、刮擦入侵速度、深度和进给方式。
[0022]所述的步骤2)直接测得的实验数据，经过试验机的测量，并经计算机处理系统计算得到汇总实验数据，包括:转速变化、温度变化、能量损耗、实测刮擦深度、摩擦系数、磨损量、可刮削因子和磨痕状况。
[0023]所述计算机处理系统包括:
[0024]数据接受模块，接受来自试验机的直接测量的实验数据并传送给处理模块；
[0025]处理模块，将测量的实验数据根据所存储的计算命令进行计算得到衍生实验数据并传送至图像处理模块；
[0026]图像处理模块，将数据接受模块的实验数据和处理模块的衍生实验数据根据操作命令制成表格、曲线、数据选取图像结果，按需要绘制磨损机制图。
[0027]所述步骤3)可刮削性判据为:摩擦系数数值的大小和稳定性、摩擦过程中能耗损失的多少和对摩件在封严涂层和材料具有相同的磨损量时，两者磨损量比值的大小。
[0028]本发明具有如下的优点和有益效果:
[0029](I)本发明提出的评价封严涂层和材料可刮削性的实验方法，针对服役环境进行模拟高速与高温工况下的刮擦实验，获得具体摩擦副在速度、温度、刮擦方式和刮擦速度与深度等条件影响下的实验数据，建立适宜的工程判据评价可刮削性。实验数据结果包括:刮擦磨损过程中的摩擦系数、刮擦能量损耗(扭矩和速度的变化值)、摩擦温升、磨损量(磨损失重和磨痕长度)，以及实际刮擦深度(入侵量)等。本发明提出了一种评价封严涂层和材料可刮削性的有效方法，即进行模拟工况的高速高温刮擦实验，获得具体摩擦副受到速度、温度、刮擦方式和刮擦速度与深度等条件影响下的实验数据，对现实实验起到有效地指导作用。
[0030](2)本发明通过模拟工况实验建立的磨损机制图，可作为工程判据，判断封严涂层和材料适宜的服役条件，也可对比评价几种样品在相同的工况条件下的可刮削性能指标的优良，解决了诸如涡喷发动机气路密封中可刮削封严涂层可刮削性能评价难的关键问题。
[0031](3)本发明模拟工况的摩擦磨损试验方法，适用于评价封严涂层和材料可刮削性能，尤其对涡喷发动机气路密封的摩擦配副等高速高温下的刮擦磨损行为评价具有工程指导意义，可为评价材料的高速高温摩擦学性能和摩擦副的优选及新材料研发提供技术支持。
[0032](4)本发明提出了实验涉及到的试验机应该具备的功能和应该测得的实验数据结果，即:功能包括高速、高温和刮擦与摩擦磨损相结合，可以预置转速与目标速度曲线、相对运动线速度、预置温度、刮擦入侵速度、深度和进给方式；测量的实验数据结果包括摩擦系数、速度变化、温度变化、能量损耗、实测刮擦深度、磨损量、可刮削因子和磨痕状况等；需要试验机具备的参数为转速范围240?24000rpm.，相对运动线速度为10m/s到450m/s，加热温度从室温到1200°C。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明所用的高速高温刮擦试验机的结构示意图；其中，(a)为主视图，(b)为B-B剖视图。图中，I步进电机；2伺服电机；3纵向滑台；4测力系统；5横向滑台；6样品固定支架；7测温装置；8加热装置；9转动盘；10扭矩仪；11电主轴；12光栅传感器；13导轨；14转动样品；15平动样品。
[0034]图2是本发明进行模拟工况实验的主要参数和测量数据框图。
[0035]图3是本发明计算机处理系统的功能模块框图。
[0036]图4是本发明计算机处理系统的工作流程图。
[0037]图5是本发明进行可刮削性评价的几种磨损机制图示例；其中，(a)为线速度-温度关系图；(b)为磨损量随线速度和温度的变化关系图；(C)为磨损机制转型图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0039]本发明实施例采用中国专利申请号为200910249051.7中的试验机，如图1 (a)所示，为本发明所用的高速高温刮擦试验机的结构示意图，平动样品15 (块)安装在固定支架6上，转动样品14 (销或环)安装在转动盘9上，由转动盘9的高速转动和纵向滑台3的进给(入侵)运动构成摩擦副的相对接触运动。进行实验时，首先预置电主轴11的变频调速参数及加速曲线以达到并控制实验要求的主轴速度。再对测速、测扭矩的扭矩仪10进行调零处理，使转动样品(销或环)的空载速度达到稳定测试要求的条件，未加载时的扭矩值标定为零。并根据实验温度的要求，由辐照聚光快速加热装置8和测温装置7 (红外测温仪或热电偶)进行样品加热控制，加热区域的大小和位置通过调节焦点保证。如图1 (b)所示，为本发明高速高温刮擦试验机B-B剖视图，调节步进电机I控制横向滑台5沿导轨13精密地在X轴方向移动，选择转动样品(销或环)在平动样品(块)上的接触点，再调整伺服电机2驱动纵向滑台3设定平动样品(块)与转动样品(销或环)开始刮擦的起点。选择在平动样品块上的刮擦入侵速度和深度，设定刮擦磨损量。确定恒速进给方式下，以此点作为数据采集的零点，所有实验过程所需测量参数的开始点均以纵向滑台3到达为参考，刮擦深度和进给速度也以此点为参考原点。对测量传感器进行预热和设定调整:实验过程中Y轴的实际位移量通过高精度光栅传感器12测定，由计算机系统采集和处理；高频响应的双向测力系统4安装在纵向滑台3和样品固定支架6之间，测得的实验过程产生的切向力和法向力信号送计算机处理系统采集和处理，用以计算摩擦系数和能量变化情况。按着预定方案需要的速度、温度、刮擦深度、进给速度、进给曲线和重复次数等条件，编制计算机用实验程序并模拟运行。所有过程检查无误后，则按实验步骤进行加热升温、主轴运转和样品进给的操作，测定相关实验参数和数据结果。测定磨损量和磨痕观测需要取下样品，在相应的仪器设备上进行。试验机需要转速范围240?24000rpm.，相对运动线速度为10m/s到450m/s，加热温度从室温到1200°C，摩擦副能够以销(环)/块方式进行刮擦和摩擦接触。
[0040]作为重要实验结果的可刮削性判据是:摩擦系数在实验过程中数值较小且稳定者，能保持稳定的可刮削性；摩擦过程中能耗损失小，表面温升小者具有较好的可刮削性；对摩件(叶片等)在封严涂层和材料具有相同的磨损量时，两者磨损量的比值(下称可刮削因子S)，该值越小则表明对摩件(叶片等)的损伤越小；磨损机制的转型判断依据是对摩件(叶片等)出现粘着、表面烧伤等状态，此时伴随摩擦系数出现突变。
[0041]本发明评价封严涂层和材料可刮削性能的实验方法，具体步骤如下:
[0042](I)根据模拟工况的需要选定具体实验参数:预置转速与目标速度曲线，相对运动线速度，预置温度，刮擦深度，进给(入侵)速度和进给方式(恒速、变速和进退组合等)如图2所示；
[0043](2)编制实验程序，经输入试验机进行计算机模拟运行，检查无误后保存备用；此步骤的具体作用是:对设定的转速、温度、刮擦进给参数进行联调，使实验设定操作符合预期目的，并在计算机模拟运行中验证；
[0044](3)安装样品，调整试验机进入试验准备；
[0045](4)启动试验机，运行实验程序，采集相关的实验数据，相关的实验数据包括转速变化、温度变化、能量损耗、实测刮擦深度、摩擦系数、磨损量、可刮削因子和磨痕状况，如图2所示。
[0046](5)实验程序运行结束，停止试验机，对采集的实验数据进行处理和测量磨损量、采用光学或电子显微镜观测磨痕。
[0047]如图3所示，本发明计算机处理系统包括:数据接受模块，用于接受来自试验机的直接测量的实验数据，并传送给处理模块；数据处理模块，用于将测量的实验数据根据所存储的计算命令进行计算得到衍生实验数据，并传送至图像处理模块；图像处理模块，用于将数据接受模块的实验数据和处理模块的衍生实验数据根据操作命令绘制成磨损机制图；数据判定模块，接受图像处理模块的磨损机制图，并根据程序中设置的可刮削性判据判断适宜的工况。通过上述的处理，工作人员可快捷地得知所测得样品是否满足工作实际情况的需要。
[0048]如图4所示，采用计算机处理系统对获得的实验数据进行分析处理，具体过程如下:
[0049]首先接受直接获取的实验数据(步骤S41)，对实验数据进行分析处理(步骤S42)，根据实验参数绘制磨损机制图磨损机制图(S43)，区分和判断磨损机制和转型条件。
[0050]其中，绘制以实验参数为变量的磨损机制图，能作为二维自变量坐标的实验参数主要有线速度-温度，线速度-进给(入侵)速度，线速度-刮擦深度，及其相互组合等，因变量则主要有摩擦系数、磨损量、能耗、可刮削因子S和粘着、表面烧伤等磨损机制转型的判据因素。前述的自变量也与因变量可组合，建立三维坐标以判断磨损机制转型的条件。
[0051]下面结合实施例对本发明方法进一步详细说明。
[0052]实施例
[0053]采用本发明评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，用于以涡喷发动机气路密封中，压气机段常用的镍石墨封严涂层与钛合金叶片组成的摩擦配副为例，对摩擦副的工况进行分析计算，确定其相对运动线速度最高为350m/s，温度为室温?300°C，涂层允许的刮擦深度为1mm。据此进行刮擦实验参数的设定:线速度选择50m/s, 100m/s, 150m/s, 200m/s和350m/s，温度为室温和300°C，预置刮擦深度为0.5mm和1mm，进给(入侵)速度0.05mm/s，0.lmm/s和0.2mm/s，共计需要进行的实验为180组(平行重复3次)。镍石墨封严涂层试样记为A样，另一个对比样品作为B样，试样作为平动样品(块)安装在样品固定支架6上，钛合金叶片试样作为转动样品(销)安装在转动盘9上，由转动盘9的高速转动和纵向滑台3的进给(入侵)运动构成摩擦副的相对接触运动，因转动试样(销)是2个齿状的端面与平动的涂层试样接触，故形成刮擦及刮削。
[0054]根据测得的实验数据结果建立磨损机制图，确定其可刮削性排队和适宜的工况参数区域，优选适用于实际工况条件的封严涂层和材料。
[0055]如图5 (a)所示，按照上述的方法进行实验得到的实验数据绘制磨损机制图。曲线al对应A样，曲线a2对应B样，可以看出A样相比B样适应的可刮削条件更宽。
[0056]如图5 (b)所示，A样相比B样在相同的条件下磨损量更小，所以判定A样品在此工况下的可刮削性能好于B样。
[0057]如图5 (C)所示，给出了一种典型的封严涂层磨损机制转型情况，作为A样的磨损制转型图，表明随速度和温度的变化，磨损机制从轻微刮削Cl到切削C2，向发生粘着C3、氧化磨损C4转变，其可刮削性变差。轻微刮擦和切削的区域大，则可刮削性能较好。由此可用以判断涂层的适宜工况，在研究新涂层和工艺改进方面提供重要参考。
[0058]实施例结果表明，本发明评价封严涂层和材料可刮削性能的实验方法，针对服役环境进行模拟高速与高温工况下的刮擦实验，获得具体摩擦副在受到速度、温度、刮擦方式和刮擦速度与深度等条件影响下的实验数据，根据磨损机制的转型条件，建立适宜的工程判据评价可刮削性。
【权利要求】
1.一种评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，通过在高速高温摩擦磨损试验机上进行模拟工况条件下的刮擦实验，建立磨损机制图，判断适用于服役条件下的涂层和材料，具体包括如下的步骤: . 1)根据模拟工况的需要选定具体实验参数，并根据实验参数在计算机上编制实验程序，进行计算机模拟运行，确认过程无误，并保存备用； 此步骤的具体作用是:对设定的转速、温度、刮擦进给参数进行联调，使实验设定操作符合预期目的，并在计算机模拟运行中验证； . 2)按照需要的实验参数对试验机进行调试，然后安装摩擦副样品运行试验机采集可直接测量的实验数据； . 3)对测得的实验数据进行处理得到一系列汇总实验数据，绘制以实验参数为变量的磨损机制图，根据可刮削性判据判断适用于相应工况条件下的涂层和材料。
2.根据权利要求1所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，所述试验机采用专利号为200910249051.7的中国专利，专利名称:一种高速高温多功能摩擦磨损试验机。
3.根据权利要求1所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，所述试验机转速范围240~24000rpm.，相对运动线速度为10m/s~450m/s，加热温度从室温到.1200°C，摩擦副以销/块或环/块方式进行刮擦和摩擦接触。
4.根据权利要求1所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，步骤.2)对试验机进行调试具体方法为: (1)设置变频调速参数及加速曲线以达到并控制实验要求的主轴速度； (2)对测速、测扭矩的扭矩仪进行调零处理，使转动样品销或环的空载速度达到稳定测试要求的条件，未加载时的扭矩值标定为零； (3)根据实验温度的要求，调节加热区域的大小和位置，进行样品加热控制； (4)选择转动样品销或环在平动样品块上的接触点，设定平动样品块与转动样品销或环开始刮擦的起点； (5)选择在平动样品块上的刮擦入侵速度和深度，设定刮擦磨损量。
5.根据权利要求1所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，所述实验参数包括:预置转速与目标速度曲线、相对运动线速度、预置温度、刮擦入侵速度、深度和进给方式。
6.根据权利要求1所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，步骤2)直接测得的实验数据，经过试验机的测量，并经计算机处理系统计算得到汇总实验数据，包括:转速变化、温度变化、能量损耗、实测刮擦深度、摩擦系数、磨损量、可刮削因子和磨痕状况。
7.根据权利要求6所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，所述计算机处理系统包括: 数据接受模块，接受来自试验机的直接测量的实验数据并传送给处理模块； 处理模块，将测量的实验数据根据所存储的计算命令进行计算得到衍生实验数据并传送至图像处理模块； 图像处理模块，将数据接受模块的实验数据和处理模块的衍生实验数据根据操作命令制成表格、曲线、数据选取图像结果，按需要绘制磨损机制图。
8.根据权利要求1所述的评价封严涂层和材料可刮削性能的方法，其特征在于，步骤 3)可刮削性判据为:摩擦系数数值的大小和稳定性、摩擦过程中能耗损失的多少和对摩件在封严涂层和材料具有相同的磨损量时，两者磨损量比值的大小。
【文档编号】G01N19/06GK103900958SQ201410106575
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】刘阳, 段德莉, 高禩洋, 薛伟海, 李曙, 侯思焓, 刘夙伟, 王鹏, 张荣禄 申请人:中国科学院金属研究所