面向航空发动机应用的表面涂层及其高温摩擦磨损性能

2025-04-15 17:08:25 · 中国表面工程 · 编辑部

航空发动机是飞机的心脏，被誉为工业皇冠上的明珠，是关系国防安全和国民经济的重大装备。表面工程技术是高性能航空发动机不可或缺的基础和保障。

航空发动机是飞机的心脏，被誉为工业皇冠上的明珠，是关系国防安全和国民经济的重大装备。表面工程技术是高性能航空发动机不可或缺的基础和保障。随着军用和民用航空领域对发动机性能要求的不断提升，新一代航空发动机的工况条件愈发恶劣，其诸多关键零部件面临高温、高载、高速、腐蚀和冲击等一系列苛刻工况的考验。摩擦磨损是造成航空发动机关键零部件性能、寿命和可靠性下降的重要原因，是制约高性能航空发动机发展的主要瓶颈之一。近年来，我国众多学者围绕航空发动机应用的表面涂层技术，聚焦极端工况下航空发动机关键零部件的高温摩擦磨损行为、表面涂层的失效机理、涂层的改进和开发等方面开展了大量研究工作，在耐高温、耐磨损、低摩擦、抗氧化和耐腐蚀表面涂层的设计、制备和应用等方面取得了重要成果。

《中国表面工程》面向航空发动机应用的表面技术及其高温磨损性能专栏邀请了多个国内长期从事表面工程研究的团队报道他们在航空发动机表面技术及其高温磨损性能方面的最新研究成果。该专栏包括航空发动机涂层的设计、分析、制备及其高温摩擦磨损行为研究等，综述了宽温域低摩擦涂层、冲蚀防护涂层、金属氮化物高温涂层和颗粒增强金属基复合材料界面微观结构方面的研究进展，介绍了多种高温复合涂层的设计和分析方法、多种新型耐高温涂层的制备方法、组织结构及其高温摩擦磨损和耐腐蚀性能，以及表面织构对微动磨损的影响等研究成果。

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客座主编简介

邵天敏，清华大学教授、博士生导师，《中国表面工程》主编。主要从事摩擦学及表面工程研究，先后主持国家科技重大专项、国家自然科学基金等多个项目。主持研制多台套摩擦学和表面工程装备，解决了一些重要装备关键摩擦副的耐磨问题。发表论文150余篇, 获省部级奖2项，授权发明专利19项。兼任中国机械工程学会理事、摩擦学分会常务委员，中国电工技术学会电子束离子束专业委员会副主任委员，清华大学摩擦学国家重点实验室学术委员会委员，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室学术委员会委员，武汉材料保护研究所特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室学术委员会委员。担任《摩擦学学报》《Friction》等刊物编委，担任国际摩擦学理事会杰出顾问专家委员会委员。

李永健，工学博士，现任清华大学机械工程系副教授、博士生导师。主要从事摩擦学与微流控技术等基础研究及其在航空动力、新能源和生物医学等领域的应用研究。近年来，重点围绕航空发动机高性能密封的失效机理、设计理论和测试方法开展理论研究和技术开发，解决了多项型号难题。先后作为项目负责人承担国家自然科学基金、国防重点项目、航空动力基金等课题20余项，并作为研究骨干参与国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金重点项目等10余项重要科研项目，在国际、国内高水平学术期刊及学术会议上发表论文70余篇，获授权发明专利30余项，获教育部自然科学一等奖、中国机械工业科学技术一等奖和重庆市科技进步一等奖各1项。

面向航空发动机应用的表面涂层及其高温摩擦磨损性能专栏文章预览

宽温域低摩擦涂层研究现状

宋福磊蒲吉斌

摘要：减摩耐磨涂层是高端装备中传动机构可靠运行的关键材料。在温度变化较大的工况条件下如何降低运动副的摩擦磨损，一直制约着高端装备技术的发展，探究宽温域低摩擦涂层对高速发展的现代工业技术具有迫切需求。简述目前宽温域低摩擦涂层的研究现状，归纳和评述金属复合基涂层、氧化物基涂层和氮化物基涂层等三类宽温域低摩擦涂层的组成、结构、摩擦学性能以及减摩机理等，得到单一结构的固体润滑涂层很难实现发展的需求。提出制备多层涂层、预处理（织构化、预氧化等）等技术路线去实现运动副良好的摩擦学性能，解决常规固体润滑涂层温度敏感性问题，为宽温域低摩擦涂层的相关研究发展提供新思路。

颗粒增强金属基复合材料界面微观结构和性能研究进展

汤鑫张杰马天宝

摘要：界面作为颗粒增强金属基复合材料中硬质颗粒和金属基体之间连接的纽带，直接影响复合材料的力学和摩擦性能，为了更好地揭示界面特性与复合材料整体性能之间的耦合关系，需要对界面展开微观研究。综述近年来对颗粒增强金属基复合材料界面的研究进展。主要分为三个方面：界面结构显微表征，即通过一系列电子显微镜和能谱分析，得到界面形貌、反应产物以及取向关系等信息；微观力学性能测试，即表征界面在微观尺度下的形变和失效过程，进而得到结合强度、断裂韧性等信息；模拟计算，在常规试验达不到的尺度，分析界面的结合能、电荷分布和电子结构，以及模拟界面的变形和失效过程。界面的微观研究对于界面改性和进一步提高颗粒增强金属基复合材料性能具有一定的指导意义。

航空发动机冲蚀损伤及防护涂层研究进展

刘雨菲崔秀芳房永超温鑫陈晧晖金国

摘要：航空发动机高速发展，其服役工况日渐严苛。飞机在高低空飞行、起飞和降落过程中,空气中的沙粒、火山灰、雨水和冰晶等在高速气流作用下不可避免地被吸入发动机内，与燃烧室等热端部件工作过程中产生的高温多相冲蚀流体共同作用，造成各类冲蚀损伤并严重影响航空发动机服役期间的安全性。开发有效的航空发动机冲蚀防护技术及高性能冲蚀防护涂层已成为航空发动机安全服役的必要保障，但目前系统介绍航空发动机冷热端部件冲蚀损伤形式的文献极少。针对航空发动机服役环境下冷热端部件的主要冲蚀形式及产生原因进行归纳，分析航空发动机服役工况特点与冲蚀破坏机理。对航空发动机用抗冲蚀涂层体系进行归类，并对其研究进展及性能进行阐述，归纳航空发动机冲蚀防护领域的测试方法和国内外各学术团队的探索性研究。总结当前研究成果并作以展望，为航空发动机冲蚀损伤的研究和新型防护涂层的设计提供参考。

金属氮化物涂层的高温摩擦学研究进展

赖振国贾倩唐诗琪高凯雄张斌

摘要：高温润滑是核工业、航空、船舶和钢铁领域的难题之一。涂层材料可以在不改变原有基材的基础上，极大地提升材料的高温服役性能。氮化物涂层因其耐温性能好、摩擦因数低、耐磨性好等特性，成为该领域的研究热点。从材料的构成和设计出发，对单元氮化物涂层、二元氮化物涂层、三元氮化物涂层、多层氮化物涂层和高熵合金涂层等方面进行综述。对氮化物涂层在高温润滑领域的发展进行展望，认为发展非氮化物金属和氮化物金属多元组涂层和高熵合金氮化物涂层建立氮化物涂层数据库将成为新的研究热点，对氮化物涂层在高温润滑与耐磨条件的应用与服役有一定指导意义。

钛合金表面TiB2涂层与纯铝的高温黏着磨损行为

吴彼高禩洋薛伟海段德莉李曙

摘要：航空发动机低压气机机匣内表面Al基封严涂层的使用，可以通过其自身的磨耗实现保护TC4叶尖的目的，但同时Al基封严涂层中以Al为主的基体材料易于大量黏着转移至TC4叶尖表面，使叶尖长度增加，影响发动机运行稳定性。采用直流脉冲磁控溅射工艺在钛合金表面沉积TiB2涂层，以期实现抗Al黏着磨损目的。具有致密结构的TiB2涂层在钛合金表面膜基结合临界载荷（LC4）达85.4 N。在高温销-盘摩擦磨损试验机上评价钛合金表面TiB2涂层与纯铝销对摩（室温至450 ℃）的抗Al黏着磨损性能。与TC4基体相比较，TiB2涂层可有效抑制Al的黏着转移。对摩铝销磨斑具有拖尾特征和剪切舌特征。铝销向TiB2涂层表面的机械涂抹和铝销对Al黏着转移层的剪切去除作用相互竞争，共同控制Al的黏着转移行为。TiB2涂层磨痕内保持低表面粗糙度可减小高温软化铝销的机械涂抹倾向。同时TiB2涂层与Al黏着转移层间优异的化学稳定性可阻碍界面反应进行，降低界面结合强度，进而促进铝销对Al黏着转移层的剪切去除作用。钛合金表面TiB2涂层通过抑制铝销机械涂抹并增强铝销对Al黏着转移层的剪切去除而获得优异的抗Al黏着磨损性能。

表面织构下钛合金不同周次的微动磨损行为

王剑飞薛伟海高禩洋段德莉李曙

摘要：在航空发动机中，钛合金零部件的微动磨损不可避免。表面织构能在一定程度上减缓微动磨损，然而目前对表面织构下钛合金不同周次微动磨损行为的认识尚有不足。在TC4钛合金表面通过激光加工制备不同方向的沟槽状表面织构，随后进行不同周次的微动磨损试验。试验结果表明，在磨损的初期，有垂直方向表面织构的样品微动循环图更“瘦长”；随着磨损的进行，磨屑的分布状态发生了改变，其微动循环图变和平行织构的样品以及无织构的样品相同。整个磨损过程随微动周次增加，分为黏着阶段和稳定阶段，垂直织构的样品上，黏着阶段又可被细分为黏着区域分散的阶段和黏着区域成片的阶段。随周次增加，磨屑的演变是由大块的磨屑层经不断被碾碎、氧化，转换成小块的磨屑，并且最终转换成细小的颗粒磨屑，被排出到磨损区域之外。研究结果对认识微动磨损行为中不同周次下表面织构的作用及磨屑的演化具有一定理论意义。

激光辅助热喷涂NiCoCrAlYTa / ZrO₂/ BaF₂·CaF₂涂层的组织及性能

王长亮陈皓晖张梅杨胶溪张昂梁帅帅

摘要：高温耐磨涂层是航空发动机关键摩擦副可靠使用的重要保障，鉴于其服役环境日益严苛复杂，进一步提高涂层的高温耐磨性能是十分必要的。利用激光辅助热喷涂技术制备NiCoCrAlYTa / ZrO₂ / BaF₂·CaF₂高温耐磨涂层，利用SEM、EDS分析高温耐磨涂层的横截面微观组织及化学成分，研究ZrO₂ / BaF₂·CaF₂质量分数、激光功率及扫描速度对耐磨涂层微观组织、力学性能及高温耐磨性能的影响。结果表明：激光辅助处理可以诱导耐磨涂层表面形成具有树枝状结构的ZrO₂陶瓷层；当激光功率为80 W，扫描速度为8 mm / s，喷涂粉末为75 wt.% NiCoCrAlYTa+25 wt.% ZrO₂ / BaF₂·CaF₂时，制备涂层的微观组织、综合力学性能及高温耐磨性能达到最好；在此工艺参数下，涂层顶部的ZrO₂陶瓷层最为致密均匀，其平均纳米硬度为13.6 GPa，平均弹性模量为182.5 GPa，800 ℃时的磨损率为2.7×10^-⁵ mm³·N^-¹·m^-¹。将高温耐磨涂层的组分设计与激光辅助热喷涂工艺相结合，可为提高涂层综合性能的提供解决途径。

基于晶体微观有限元方法的多相复合涂层高温摩擦应力场模拟

黄啸翟傲霜张凤娇王俊煜邵天敏

摘要：对高温摩擦磨损工况下多相复合涂层的热-力耦合应力场的模拟研究尚不充分。基于Voronoi多边形建立 NiCr-Cr3C2-CaF2 / BaF2多相复合涂层的晶体微观有限元模型，模拟复合涂层中各相的占比、分布形态和热-力学参数，求解得到热-力耦合工况下的von Mises应力和第一主应力分布。结果表明：在高温摩擦工况下，多相复合涂层的应力显著高于均匀涂层，尤其是在硬质相尖端附近易产生局部高应力区域，改善相的形态将锐角钝化能够有效缓解局部高应力现象；热-力耦合应力场与黏结相和硬质相的弹性模量密切相关，通过调节各相模量能够有效调控复合涂层的Mises应力和拉应力值。基于微观有限元方法的热-力耦合应力场模拟可为高温摩擦磨损工况下多相复合涂层的优化设计提供理论依据。

NiCr-Cr₃C₂-ZrO₂-BaF₂·CaF₂涂层高温摩擦磨损性能

祁斌于海博梁帅帅李疆陈皓生

摘要：为提高NiCr-Cr₃C₂-BaF₂·CaF₂涂层高温耐摩擦磨损性能，减少热喷涂过程中润滑相BaF₂·CaF₂火焰烧蚀，采用溶胶凝胶方法将BaF₂·CaF₂粉体以弥散形式包覆于抗烧蚀陶瓷相ZrO₂内，形成ZrO₂-BaF₂·CaF₂抗烧蚀包覆型粉体，将粉体与NiCr-Cr₃C₂混合后爆炸喷涂以提高涂层内BaF₂·CaF₂含量，并表征涂层微观组织和高温耐磨损性能。结果表明：ZrO₂包覆型粉体中BaF₂·CaF₂呈弥散式分布，制备的NiCr-Cr₃C₂-ZrO₂-BaF₂·CaF₂涂层相比传统NiCr-Cr₃C₂-BaF₂·CaF₂涂层，Ca、Ba元素含量均提升1倍以上，两涂层显微硬度分别为1 041 HV和690 HV，这说明ZrO₂陶瓷包覆能有效减少BaF₂·CaF₂在喷涂过程中的高温烧蚀，且大幅提升了涂层硬度。高温摩擦磨损试验结果显示，NiCr-Cr₃C₂-ZrO₂-BaF₂·CaF₂涂层在600 ℃、700 ℃和800 ℃时的平均摩擦因数分别为0.25、0.17和0.18，与NiCr-Cr₃C₂-BaF₂·CaF₂涂层相比分别降低了16.7%、39.3%和5.3%；NiCr-Cr₃C₂-ZrO₂-BaF₂·CaF₂涂层磨损率为5.47×10^-6mm³· N^-¹· m^-¹，较NiCr-Cr₃C₂-BaF₂· CaF₂涂层降低了38.6%。对磨球表面的微观表征显示，涂层中润滑相含量提升使NiCr-Cr₃C₂-ZrO₂-BaF₂·CaF₂涂层在对磨球表面形成更为完整的润滑转移膜，这将有利于涂层的高温润滑性、稳定性和耐磨损性能。研究结果对热喷涂粉体中易烧蚀物相的热防护和高温自润滑耐磨涂层性能的提升具有借鉴意义。

刷式密封高温摩擦磨损行为

徐乙人祁志浩李永健赵炬颖马婷

摘要：刷式密封能够提升各类透平机械的性能，近年来航空发动机对刷式密封提出了更高的工作温度要求。为研究高温条件下跑道对刷丝尖端的磨损作用，针对性地研制基于电磁加热原理的刷式密封高温磨损试验设备，并成功完成GH5605材料的刷封试样与转子跑道之间的高温高速磨损试验，试验温度达到700 ℃，试验线速度达到100 m / s。为研究刷丝柱面的高温摩擦磨损行为，基于SRV摩擦磨损试验机开展刷丝柱面模拟磨损试验。研究结果表明：刷丝尖端与跑道耐磨涂层之间的磨损机理以磨粒磨损为主，随着跑道温度升高，刷丝尖端附着的氧化物增加，并可使刷丝柱面产生粗糙氧化层；温度对刷丝柱面的磨损行为有显著影响，常温条件下刷丝柱面呈现出显著的黏着磨损特征，在300 ℃和700 ℃的试验温度条件下，氧化现象削弱了刷丝柱面的黏着磨损作用，并使其摩擦因数和磨损速率降低。研究结果揭示了刷式密封的磨损机理及高温条件对其磨损行为的影响，可为提升刷式密封的磨损性能提供理论指导。

球墨铸铁表面激光熔覆Ni-Co复合涂层的耐腐蚀及高温摩擦学性能

路世盛周健松王凌倩梁军

摘要：为降低球墨铸铁激光熔覆过程中白口组织的含量，改善其高温摩擦学性能和耐腐蚀性能，采用激光熔覆技术，通过添加Ni基过渡层在球墨铸铁表面制备Co基涂层。利用XRD、SEM、EDS表征不同熔覆层的物相组成、微观结构。采用高温摩擦磨损试验机测试不同温度下Co基涂层与球墨铸铁的摩擦磨损性能，分析Co基涂层在不同温度下的磨损机理。利用电化学工作站测试Co基涂层与球墨铸铁的耐腐蚀性能。结果表明：Ni基过渡层的物相为γ-Ni固溶体和Ni3Si陶瓷相。Co基涂层主要由γ-Co固溶体和Cr7C3陶瓷相构成。Ni基过渡层的添加抑制了基材中C元素扩散，降低了结合界面处白口化趋势。由于Cr7C3陶瓷相的强化作用，Co基涂层的显微硬度为球墨铸铁基材的2.1倍。与球墨铸铁基材相比，当温度高于200 ℃时，Co基涂层在与Si3N4配副对磨时表现出较低的平均摩擦因数与磨损率。在中低温条件下Co基涂层与Si3N4配副对磨时的磨损机制为黏着磨损与磨粒磨损，高温条件下的磨损机制为形成连续光滑的氧化层起到减摩抗磨的作用。Co基涂层表现出更高的自腐蚀电位（-362.36 mV）和更低的自腐蚀电流密度（13.95 nA·cm-2）。所制备的Ni-Co复合涂层能有效提高球墨铸铁表面的高温摩擦学性能和耐腐蚀性能，在发动机领域具有较好的应用前景。

基于相平衡计算的Hf掺杂NiCoCrAlY高温涂层设计及强化机理

王晓明韩国峰尹轶川朱胜

摘要：MCrAlY涂层以其优异的高温抗氧化性能和力学性能，成为燃气轮机高温防护部件不可或缺的一部分，但涂层、基体和环境之间的复杂相互作用，使得某些合金元素的单一添加无法满足现有MCrAlY涂层的使役要求。采用真空悬浮熔炼法制备块状NiCoCrAlY合金，使用Thermo calc软件计算掺杂元素后NiCoCrAlY合金的相平衡，利用X射线衍射仪（XRD）对NiCoCrAlY合金进行物相检测，利用扫描电子显微镜（SEM）和电子背散射衍射（EBSD）研究合金的微观结构和晶粒取向，通过显微硬度、纳米压痕和压缩试验来表征其力学性能。选用优选出的合金成分制备粉体，利用HVAF喷涂技术制备涂层试样，与商用NiCoCrAlY涂层在相组成、显微组织、力学性能和耐磨性能上做对比研究。结果表明，随着Hf含量的增加，合金中晶粒尺寸增大；当Hf含量为1 wt.%时，合金的抗压强度和抗压应力得到提高；Hf含量为4 wt.%时，合金具有较高的塑性。掺杂改性后的NiCoCrAlYNbMoHfTa涂层中主相为β相；涂层显微硬度显著提高，且有着和商用NiCoCrAlY涂层相近的结合强度；相较于商用NiCoCrAlY涂层，NiCoCrAlYNbMoHfTa涂层表现出更加优异的磨损防护性能。对传统的MCrAlY材料进行掺杂，探明Hf掺杂对NiCoCrAlY合金的力学性能影响及强化机制，所制备的涂层具有良好的力学性能和摩擦学性能。

流-固-热多工况耦合作用下梯度复合涂层应力分布仿真分析

方博石杨文明陈皓生

摘要：针对复合涂层的现有仿真方法多基于单一物理场的影响，不能反映多物理场耦合作用等实际工况下的力学性能。以航空发动机附件机匣的典型工况环境为背景，建立描述流-固-热耦合作用下梯度复合涂层各物理参数变化的数学模型，计算涂层不同分布方式下其内部的von Mises应力分布。结果表明，过渡层材料组分的渐变方式对涂层热应变和层内von Mises应力分布有较大影响，以航空发动机附件机匣中某型花键副为例，在施加实际工况下的载荷和温度条件后，温度场引起的热应力较载荷-润滑引起的应力更大，在润滑、热场和载荷的耦合作用下，三种分布方式的涂层最大应力均位于表层，随梯度的增大逐渐向基体扩散；梯度增大的过渡方式在涂层内可以获得最小的最大von Mises应力。在所关注的温度范围内，与梯度减小的过渡方式相比，使用梯度增大的过渡方式可使最大von Mises应力减小14.5%。所建立的仿真方法可模拟近似实际工况，研究结果可用于指导梯度复合涂层的设计和制备。