一种封严涂层可磨耗性测试和评价方法与流程

本发明属于航空航天材料检测领域，具体涉及一种封严涂层可磨耗性测试和评价方法。

背景技术：

封严可磨耗涂层在航空发动机及燃气轮机中广泛应用，其涂覆于与转子碰磨的静子部件上，通过涂层的主动牺牲磨耗实现转/静子最小间隙控制，有效提高发动机效率、降低油耗。封严涂层在高温高速下与转子叶片碰磨，涂层发生主动磨耗而不磨损或粘着转子叶片的特性称之为可磨耗性，准确评价封严涂层可磨耗性是本领域要解决的重要问题。

对可磨耗涂层的高温高速碰磨试验，是指叶片试样装卡在可以高速旋转的轮盘外缘，涂层样品装卡在相对于轮盘可做前进和后退运动的平台上，涂层及叶片可以被加热，在轮盘以一定速度转动的情况下，平台带动涂层样品以一定速率向轮盘移动，实现叶片与涂层的高温高速碰磨。该试验中一般通过控制侵入速率和侵入时长来控制侵入深度，侵入速率一般采用步进电机控制，其精度满足试验要求；而侵入时长，需要准确获得碰磨零点才能实现准确控制。

目前已有在实验室模拟航空发动机高速工况的方法，可对封严涂层与叶片等进行高速碰磨，但是如何对碰磨试验后的涂层进行表征，以准确评价其可磨耗性仍是一个难点。现有的表征方法如涂层磨痕形貌分析法、磨损重量法、磨损体积法和微观组织形貌分析法等方法，存在无法准确的定量、归一化处理、横向比较等问题。

技术实现要素：

侵入深度比(也成为进给深度比)是评价封严涂层可磨耗性的关键指标，其定义为碰磨试验前后叶片高度变化值与侵入深度的比值，侵入深度比越接近于零，封严涂层可磨耗性越好。

侵入深度通过以下的公式计算：

当h2＜h1，侵入深度＝涂层磨痕深度+h1-h2；

当h2＞h1，侵入深度＝涂层磨痕深度。

其中，h1和h2为碰磨之前和之后测试叶片的高度。

涂层磨痕深度是指碰磨后的磨痕面到碰磨前涂层凹面的最大距离。由于涂层表面为弧形，涂层磨痕的表面也为弧形，并且磨痕十分粗糙，采用接触式或非接触式的方法直接测量磨痕深度比较困难且数据分散，准确度不足，耗时耗力。

本发明提出了一种创新的准确测量磨痕深度的方案，该方法无需直接测量磨痕的深度值，而是通过间接测量磨痕的弦长，利用几何关系计算获得磨痕深度。该方法降低了测量难度，提高了测量准确性，特别有利于对表面弧形的涂层，以及多次碰磨产生的弧形磨痕累积效应的测量评判。

本公开提供一种基于碰磨试验的可磨耗涂层性能测试方法，包括：

旋转安装有测试叶片的轮盘；

控制侵入平台相对于测试叶片执行侵入运动，所述侵入平台上安装有凹向测试叶片的弧形可磨耗涂层，使测试叶片在弧形可磨耗涂层的凹面发生碰磨，在弧形可磨耗涂层的凹面上产生弧形磨痕面；

采集测试叶片的旋转外径(叶片外缘在旋转过程中形成的圆形路径的半径)r1、弧形可磨耗涂层的曲率半径r2和弧形磨痕面的弦长l；

根据以下公式计算磨痕深度i：

在一些实施方案中，r2大于r1。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法还包括采集碰磨之前和之后测试叶片的高度h1和h2。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法还包括计算侵入深度比的步骤；

当h2＜h1，

当h2＞h1，

基于上述侵入深度比的计算方法，当叶片发生磨损、高度降低时，以叶片高度减小值和涂层磨痕深度之和为侵入深度；当叶片有涂层粘附、高度增加时，以涂层磨痕深度为侵入深度，不再计入叶片高度的变化值。对于叶片有涂层粘附、高度增加的情况，虽然设定侵入深度没变，但是由于叶片高度增加造成叶片实际侵入涂层的深度的增加，因此碰磨试验后测得的涂层磨痕深度即是侵入深度，不必在涂层磨痕深度中再减去叶片高度的增加值，如此得到的侵入深度比才是准确的。该侵入深度比的测试方法是以实际侵入深度为中心进行定量评价，而非以叶片高度变化为中心进行定量评价。

上述侵入深度比的计算方法具有评价结果准确、可同时表征叶片磨损和涂层粘附、可做归一化处理、可对不同条件下的磨耗结果进行横向对比等优点。

在一些实施方案中，采用侵入深度比进行可磨耗性评价，具有可对试验结果实现0～1的归一化处理，便于直观的表达出涂层可磨耗性，便于进行不同测试结果的横向对比等一系列优点。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法还包括根据侵入深度比判定涂层可磨耗性能的方法，具体包括：

当h2＜h1，当侵入深度比小于第一阈值，则判定涂层可磨耗性能合格；

当h2＞h1，当侵入深度比大于第二阈值，则判定涂层可磨耗性能合格。

在一些实施方案中，第一阈值的取值为10～30％，例如20～30％。

在一些实施方案中，第一阈值的取值为-30～-10％，例如-30～-20％。

在一些实施方案中，沿弧形磨痕的宽度方向(即垂直于弧形磨痕弦长的方向)选取多个不同位置的采样点，从各采样点采集磨痕的弦长，并计算平均值。

在一些实施方案中，沿叶片的宽度方向选取多个不同位置的采样点，从各采样点采集叶片的高度，并计算平均值。

在一些实施方案中，采用自动化设备采集弧形磨痕面的弦长。自动化设备例如是激光测距仪。

在一些实施方案中，可磨耗涂层性能测试方法在以下条件下进行：

测试温度范围为室温～1200℃；

测试叶片旋转叶尖线速度范围在100～520m/s。

在一些实施方案中，弧形磨痕面是弧形面。

在一些实施方案中，弧形可磨耗涂层的凹面是弧形面。

在一些实施方案中，碰磨试验是指叶片试样装卡在可以旋转的轮盘外缘，可磨耗涂层样品装卡在相对于轮盘可做前进和后退运动的平台上，在轮盘转动的情况下，侵入平台带动可磨耗涂层向叶片移动，实现叶片与涂层的碰磨。

可磨耗涂层性能测试方法和系统可与申请人之前开发的任意可磨耗涂层性能测试方法和系统相兼容或组合，以下中国专利申请的全部内容通过引用结合至本申请中：cn201811195700.5、cn201811195717.0、cn201811195685.4、cn201320109549.5、cn201310076983.2、cn201220641509.0、cn201210496279.8。

术语解释

“高温高速”是指温度范围在室温～1200℃，旋转叶片叶尖线速度范围在100～520m/s。

“弧形”是指圆一部分的形状。

“弧形面”是指圆环形面的内侧面的一部分。

“弦长”是指连接弧形的两个端点的线段的长度。磨痕弦长是指连接弧形磨痕上下两个端点的线段的长度。

“磨痕深度”是指“碰磨后的弧形磨痕面”到“碰磨前的弧形可磨耗涂层面”的最大距离。

“刮削”、“碰磨”具有相同的含义，均指可磨耗涂层与叶片发生对磨。

“进给”、“侵入”具有相同的含义，均指安装有可磨耗涂层的侵入平台向测试叶片移动。

封严涂层和可磨耗涂层具有相同的含义，均指在与其他部件发生对磨的过程中能够主动磨耗自身的涂层。

有益效果

本公开一个或多个实施例具有以下一项或多项有益效果：

(1)测量磨痕深度的方案无需直接测量磨痕的深度值，通过间接测量磨痕的弦长，利用几何关系计算获得磨痕深度。该方法降低了测量难度，提高了测量准确性。该方法特别有利于对表面弧形的涂层，以及多次碰磨产生的弧形磨痕累积效应的测量评判。

(2)侵入深度比的计算方法具有评价结果准确、可同时表征叶片磨损和涂层粘附、可做归一化处理、可对不同条件下的磨耗结果进行横向对比等优点。

附图说明

图1为测试叶片在可磨耗涂层表面产生弧形磨痕面的侧视示意图。

图2为测试叶片在可磨耗涂层表面产生弧形磨痕面的正视示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1示出测试叶片在弧形可磨耗涂层表面产生弧形磨痕面的侧面示意图。图2示出测试叶片在弧形可磨耗涂层表面产生弧形磨痕面的正面示意图。

如图1～2所示，可磨耗涂层性能测试方法包括以下步骤：

旋转安装有测试叶片20的轮盘；

控制侵入平台相对于测试叶片20执行侵入运动，侵入平台上安装有凹向测试叶片20的弧形可磨耗涂层10，使测试叶片20在弧形可磨耗涂层10的凹面11上发生碰磨，在弧形可磨耗涂层10的凹面11上产生弧形磨痕面12。

碰磨后，弧形磨痕面12到凹面11的最大距离即为磨痕深度i。测试叶片20的旋转外径为r1、弧形可磨耗涂层10的凹面的曲率半径为r2，磨痕面12的弦长为l。

根据以下公式(1)计算磨痕深度i：

下面通过具体实施例进一步阐述可磨耗涂层性能测试方法。

实施例1

(1)取等离子喷涂工艺制备的铝硅聚苯酯可磨耗涂层试样(涂层中al含量57.2wt％，si含量7.8wt％，聚苯酯含量35wt％)，涂层厚度2mm，弧形可磨耗涂层的曲率半径(r2)为1835mm，弧形可磨耗涂层的弧长为68mm。

(2)取tc4钛合金模拟叶片，叶片叶尖厚×宽尺寸为0.7mm×20mm，在进行碰磨试验前，使用ta025a型螺旋测微器分别沿叶片宽度方向从左、中、右三个采样点测量叶片高度，分别测得20.104mm、20.103mm、20.103mm，叶片高度平均值(h1)为20.103mm。

(3)使用矿冶科技集团有限公司研制的bgrimm-ast1000型高速可磨耗试验机上，将步骤(1)和步骤(2)中的弧形可磨耗涂层安装在侵入平台上，将模拟叶片装安装在轮盘上，模拟叶片的旋转半径(r1)为为417.5mm。

(4)设定高速碰磨试验参数为：测试温度325℃、测试叶片旋转线速度为300m/s、侵入平台的侵入速率为50μm/s、设定侵入深度500μm。开启试验机按此参数进行碰磨试验，试验完成后关机。

(5)将碰磨试验后的弧形可磨耗涂层由试验机取下，使用dl91150型游标卡尺沿磨痕宽度(d)方向左、中、右三个采样点分别测量涂层磨痕的弦长(l)，数值分别是45.51mm、45.47mm、44.82mm，则弦长平均值(l)为45.27mm。根据公式(1)计算得到磨痕深度(i)。该步骤重复5次，磨痕深度计算结果如表1所示。每次测量所需时长的平均值，以及5次测量结果的相对标准偏差(rsd)如表1所示。

(6)将碰磨试验后的模拟叶片由试验机取下，使用ta025a型螺旋测微器测量其高度变为20.217mm、20.241mm、20.179mm，试验后叶片高度平均值(h2)为20.212mm。

对比例1

对比例1与实施例1的区别在于步骤(5)，以如下步骤(5’)替换步骤(5)：

(5’)使用游标卡尺直接测量磨痕深度。该步骤重复5次。磨痕深度测量结果如表1所示。每次测量所需时长的平均值，以及5次测量结果的相对标准偏差(rsd)如表1所示。

实施例2

(1)取等离子喷涂工艺制备的al-12si-聚苯酯弧形可磨耗涂层(同实施例1)，涂层厚度2mm，基体厚度6mm，弧形可磨耗涂层的曲率半径(r2)为1835mm，弧形可磨耗涂层的弧长为68mm。

(2)取tc4钛合金模拟叶片，叶片叶尖厚×宽尺寸为0.7mm×20mm，在进行碰磨试验前，使用ta025a型螺旋测微器分别沿叶片宽度方向从左、中、右三个采样点测量叶片高度，分别测得20.133mm、20.115mm、20.109mm，叶片高度平均值(h1)为20.132mm。

(3)将步骤(1)和步骤(2)中的弧形可磨耗涂层和模拟叶片装卡在矿冶科技集团有限公司研制的bgrimm-ast1000型高速可磨耗试验机上，装卡模拟叶片后的试验机轮盘半径(r1)为417.5mm。

(4)设定高速碰磨试验参数为：测试温度450℃、测试叶片旋转线速度300m/s、侵入速率50μm/s、设定侵入深度200μm。开启试验机按此参数进行碰磨试验，试验完成后关机。

(5)将碰磨试验后的弧形可磨耗涂层由试验机取下，使用dl91150型游标卡尺沿磨痕宽度(d)方向左、中、右三个采样点分别测量涂层磨痕的弦长(l)，测得数值分别是29.42mm、29.85mm、29.74mm，则磨痕弦长平均值(l)平均值为29.67mm。根据公式(1)计算得到磨痕深度(i)。该步骤重复5次。磨痕深度计算结果如表1所示。每次测量所需时长的平均值，以及5次测量结果的相对标准偏差(rsd)如表1所示。

(6)将碰磨试验后的模拟叶片由试验机取下，使用ta025a型螺旋测微器测量叶片高度为20.105mm、20.096mm、20.097mm，试验后叶片高度平均值(h2)为20.099mm。

对比例2

对比例2与实施例2的区别在于步骤(5)，以如下步骤(5’)替换步骤(5)：

(5’)使用游标卡尺直接测量磨痕深度。该步骤重复5次。磨痕深度测量结果如表1所示。每次测量所需时长的平均值，以及5次测量结果的相对标准偏差(rsd)如表1所示。

表1(深度单位：μm)

如表1所示，与对比例1～2相比，实施例1～2的测量方法对于磨痕的测试结果具有较低的rsd且耗时较短，能够高效、准确、真实地反映磨痕深度。

实施例3

侵入深度比的计算。根据以下公式计算侵入深度比。

当h2＜h1，

当h2＞h1，

对于实施例1，因碰磨试验后叶片高度减小了0.109mm，则侵入深度为磨痕深度与叶片磨损高度之和，即为0.585mm；侵入深度比＝叶片高度变化值除以侵入深度，则侵入深度比为18.6％。

对于实施例2，因碰磨试验后叶片高度增加了0.033mm，叶片叶尖上有涂层粘附，则磨痕深度即为侵入深度；侵入深度比＝叶片高度变化值(负值)除以侵入深度，则获得侵入深度比为-16.2％。

根据以下规则判定涂层可磨耗性能：

当h2＜h1，当侵入深度比小于30％阈值，则判定涂层可磨耗性能合格；

当h2＞h1，当侵入深度比大于-30％阈值，则判定涂层可磨耗性能合格。

根据上述规则，实施例1的可磨耗涂层性能判定为合格，实施例2的可磨耗涂层性能判定为合格。

本说明书中多个实施例采用递进的方式描述，各实施例的重点有所不同，而各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其整体以及涉及的模块功能与方法实施例中的内容存在对应关系，因此描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

尽管本发明的实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解:根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改和变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。