Page 33 - 理化检验-物理分册2024年第五期
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王 帅, 等: 新型航空发动机用 Ni-cBN 主动切削涂层性能
气相沉积( CVD ) 、 化学镀 [ 5 ] 和复合电沉积 [ 6 ] 等,
[ 4 ]
其中复合电沉积是生产金属基复合涂层最重要的技
术之一, 其具有工艺简单、 沉积速率较快等优点。含
[ 7 ] [ 8 ] 、 WC 、 碳纳
[ 9 ]
有固体颗粒的涂层, 如 SiC 、 Al 2O 3
[ 10 ]
米管( CNT ) 和金刚石 [ 11 ] 等具有较好的耐磨性和
分散硬化性能。立方氮化硼( cBN ) 具有类似于
[ 12 ]
金刚石的优异物理和化学特性, 如高硬度、 高热导
率、 大带隙和高击穿场强等, 因此cBN 颗粒常被选
图1 具备篦齿局部仿形齿尖和齿面结构的模拟试样外观
为增强涂层耐磨性能的第二相。在篦齿型面等部位
应力, 热处理工艺为: 真空度不低于5×10 Pa , 以
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制备主动切削涂层的技术国外已发展较为成熟, 相
10℃ / min升温速率升至 400 ℃ 后保温 2h , 随炉
关产品已成熟应用于新一代航空发动机中, cBN 因
冷却。
具有良好的切削性、 耐高温性及电沉积适应性, 成为
1.3 试验方法
国外航空发动机组件主动切削涂层中最常使用的切
1.3.1 显微组织观察
削相。但在篦齿表面制备复合电沉积 Ni-cBN 主动
使用扫描电子显微镜( SEM ) 对涂层厚度、 Ni 层
切削涂层的公开报道较少。笔者制备了 Ni-cBN 复
厚度、 涂层中cBN 粒度、 cBN 埋深进行观察, 并观察
合电沉积涂层, 研究了涂层的组织、 结合强度、 抗热
篦齿模拟试样截面的 Ni-cBN 涂层组织 [ 14 ] 。
震性能及涂层对基体力学性能的影响, 并验证了复
1.3.2 结合强度测试
合电沉积工艺的效果。
首先在尺寸为25mm×4mm 的 FGH95试样
1 试验材料及方法 一面制备 Ni-cBN 涂层, 利用钎焊的方法将圆片有、
1.1 试验材料 无涂层的两个圆分别焊接在两根尺寸为 25mm×
试样基体材料选用 FGH95 镍基高温合金, 将 50mm 的 316 不 锈 钢 接 头 上; 随 后 依 据 GB / T
228.1 — 2010 《 金属材料 拉伸试验 第 1 部分: 室温
雾化高温合金粉末进行热等静压成型后, 再锻造成
试验方法》 将该钎焊试样加工成拉伸试样, 并对试样
型。制造出的高温合金粉末的化学成分如表 1 所
进行抗拉强度测试。由于 Ni-cBN 涂层的结合强度
示。在600℃工作条件下, FGH95镍基高温合金具
一般 低 于 涂 层 与 不 锈 钢 钎 焊 结 合 强 度, 也 低 于
有优异的综合力学性能 [ 13 ] 。对尺寸( 直径 × 厚度,
下同) 为25mm×4mm 的试样进行显微组织分析 FGH95基体与不锈钢钎焊结合强度, 施加拉力后, 涂
层首先会从内部或与 FGH95的界面处断开, 因此可
和结合强度测试。对具备篦齿局部仿形齿尖和齿面
以通过这种方法来判断 Ni-cBN 涂层的结合强度。
结构 的 模 拟 试 样 进 行 涂 层 抗 热 震 性 能 测 试
1.3.3 抗热震性能测试
( 见图1 )。
使用风冷热震的方法对试样进行涂层抗热震性
表1 FGH95镍基高温合金粉末的化学成分 %
能测试, 具体测试方法为: 将带有 Ni-cBN 涂层的试
质量分数
项目 样放入600℃马弗炉中, 保温10min后去除, 采用
微量元素
Cr Co Mo W Ti Ni
常温压缩空气进行风冷降温 3min , 然后再次将试
实测值 20.0 13.0 4.0 3.0 1.5 0.7 余量
样放入600℃马弗炉中保温, 如此循环 1200 次或
1.2 涂层制备 至涂层脱落。
在对试样进行复合电沉积前, 先用丙酮超声清 1.3.4 涂层对基体力学性能的影响
洗试样表面, 以除去表面油污。使用氯化镍冲击镀 依据 GB / T228.1 — 2010 将 FGH95 合金基体
液体系作为涂层冲击预镀液, 制备预镀层, 以提高基 加工成拉伸和持久力学性能试样, 采用复合电沉积
体与 Ni-cBN 涂层的结合力。采用瓦特镀液体系将 工艺在试样标距区外表面制备 Ni-cBN 涂层, 分别
磨料颗粒均匀、 完整地镀覆在试样表面。使用的磨 依据 GB / T228.1 — 2010和 GB / T228.2 — 2015 《 金
料颗粒为单晶立方氮化硼, 名义粒度为140目( 1目 属材料 拉伸试验 第2部分: 高温试验方法》 对带有
=25.4mm )。复合电沉积完成后采用真空热处理 涂层的力学试样进行室温和高温( 650℃ ) 拉伸试
炉对复合电沉积涂层进行热处理, 以消除涂层内部 验, 以及高温持久力学性能测试。
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