发动机涡轮工作条件下自润滑硬质涂层的研制与作用机理研究

本项目针对先进航空发动机涡轮部位高温、高湿、强氧化条件下对自润滑硬质刷式封严涂层的需求，首次采用等离子喷涂技术制备先进的NiCrAlY/LaB6-ZrB2-B4C环境自适应涂层。通过优化粉体组成和涂层结构，使该使役条件下涂层表面生成一层均匀、连续、结合强度高的氧化物自润滑膜，从室温到高温都起减摩作用。针对硼化物、碳化物在等离子喷涂过程中存在的氧化脱碳问题，采用离心喷雾造粒、高压氢还原和固态合金化技术制备了性能优异的NiCrAlY包覆LaB6-ZrB2-B4C复合粉体。通过NiCrAlY在LaB6-ZrB2-B4C表面包覆均匀性研究、等离子喷涂工艺优化设计、涂层形成和使用过程中涂层组分间以及组分与氧气、水蒸气的界面反应研究，考察自润滑膜的生成-破坏-脱落-再生演变规律。本项目拟揭示粉体组成－涂层结构－组织性能的关系，研究涂层宽温自润滑、耐磨、抗氧化和耐热腐蚀机理，为该涂层的工业应用提供指导。

本项目采用微纳米颗粒自组装、高压氢还原、固相点源热扩散等技术制备了合金包覆硼化物、碳化物、氟化物复合粉体材料，依托等离子喷涂技术制备了具有良好组织结构、力学性能、抗高温氧化的宽温度范围自润滑-硬质涂层。通过研究包覆过程中颗粒表面活化、氢气传质、镍形核过程对表面包覆均匀性影响规律，并对扩散过程混料、活化、温度、时间等参数进行优化，实现了硼化物、碳化物、氟化物核心颗粒表面的均匀致密合金层包覆，获得了镍离子在核心表面的沉积生长机制以及固态合金化过程中元素扩散动力学。研究发现，包覆型复合粉体材料有效降低了等离子喷涂过程中硼化物、碳化物、氟化物核心颗粒的氧化和烧蚀，获得了较高的沉积效率和物相分布均匀的涂层结构。使役过程中涂层表面和次表面与氧气、水蒸气之间相互作用，发生软化或反应，生成含硼化物、氧化物、氟化物自润滑膜，降低了涂层的摩擦系数、涂层及对磨件的磨损率。在低温下，脆性碎片和剥离颗粒对磨损的进程起了主导作用。高温时，塑性变形及连续的自润滑膜、轻微粘着磨损和粘滞流对磨损进程起主导作用，同时包含了磨损与摩擦化学反应的交互作用。高温摩擦过程自润滑膜的演变规律为生成-破坏-脱落-再生，由于同类物质的亲和力、浸润以及高温下自润滑膜强的塑性变形能力与粘合力，使涂层在整个生命周期内始终具有自润滑功能。研制的系列涂层可以满足先进航空发动机涡轮部位高温、高湿、高速气流冲刷等苛刻条件对刷式封严涂层的迫切需求。本项目制备材料的思路、方法以及研究成果对于其它热喷涂粉体和自润滑硬质涂层的设计、制备具有一定的参考价值和指导作用。