噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

摩擦系數(shù)和磨損測量

當(dāng)人們對磨損和摩擦系數(shù)感興趣時(shí)，摩擦學(xué)測量是不可少的。用于此類應(yīng)用的儀器有銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)TRB³，如果涉及變溫測試，還有高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)THT。TRB³可根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用，提供線性、旋轉(zhuǎn)和角度往復(fù)等運(yùn)動(dòng)方式。此外，軟件還可統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)隨時(shí)間、位移或循環(huán)次數(shù)的變化。在摩擦學(xué)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，可使用集成的輪廓儀表征表面輪廓，直接計(jì)算磨損率。

滾珠絲杠在航空航天工業(yè)中用于移動(dòng)機(jī)翼襟翼，它們的優(yōu)點(diǎn)是摩擦小，效率高。沉積在鋼制機(jī)翼平滾珠絲杠上的厚度為幾微米的PVD涂層應(yīng)減少滾珠與絲杠套筒接觸時(shí)的摩擦。使用TRB³摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，測量了涂兩種不同PVD涂層的滾珠絲杠的摩擦系數(shù)和磨損，研究其中任何一種涂層是否會(huì)導(dǎo)致鋼套筒的過早磨損。

使用銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)TRB3，在線性往復(fù)模式下進(jìn)行試驗(yàn)。記錄摩擦系數(shù)，并使用顯微鏡測量靜摩擦副的磨損。比較摩擦試驗(yàn)結(jié)果（圖1），發(fā)現(xiàn)兩種涂層的摩擦系數(shù)與不銹鋼臺(tái)面的摩擦系數(shù)沒有顯著差異。當(dāng)測量樣品2上的PVD涂層時(shí)，不銹鋼靜摩擦副表現(xiàn)出更高的磨損。說明樣品1上的涂層比樣品2上的涂層更耐磨，盡管它們的摩擦系數(shù)幾乎相同。

超音速火焰噴涂（HVOF）是一種熱噴涂技術(shù)，通常用于沉積金屬或陶瓷-金屬涂層。葉片熱噴涂涂層WC-17Co、Cr₃C₂-NiCr和(Ti,Mo)(C,N)-NiCo涂層具有耐磨性，并且能承受高達(dá)約800°C的溫度。我們使用高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)THT，在室溫、500°C和700°C下進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，測量摩擦系數(shù)和磨損率。

靜摩擦副選擇氧化鋁，因?yàn)樗艹惺芨哌_(dá)1000°C的溫度，在所有測試中都使用10 N載荷。如圖2，我們得到了摩擦系數(shù)隨距離和溫度的變化，摩擦系數(shù)隨著溫度的升高而降低，意味著所有涂層都適用于高溫應(yīng)用。還可以看到，(Ti,Mo)(C,N)-NiCo和WC-Co涂層即使在700°C下也具有非常穩(wěn)定的摩擦系數(shù)。這表明磨損是均勻的，磨損軌跡相當(dāng)平滑。

雖然摩擦學(xué)測量，得到了摩擦系數(shù)，但需要SEM圖像幫助確定磨損機(jī)制。HVOF噴涂金屬陶瓷的磨損機(jī)制通常是較軟的金屬基體逐漸去除，露出碳化物顆粒，通過靜摩擦副的橫向滑動(dòng)被去除。釋放的顆粒作為磨損介質(zhì)，并促進(jìn)磨損。圖3顯示了在700°C下測試的樣品上的磨損軌跡，它們證實(shí)了WC-Co和(Ti,Mo)(C,N)-NiCo涂層尤其具有相對平滑的磨損軌跡，證實(shí)了這兩種涂層比Cr₃C₂-NiCr涂層具有更穩(wěn)定的摩擦系數(shù)和耐磨性，尤其是在較高的溫度下。

圖3 ：700°C下磨損痕跡的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

涂層附著力表征

在比較附著力方面，劃痕技術(shù)是好的解決方案。根據(jù)涂層類型和厚度，可選擇從RST3到NST3不同載荷范圍的劃痕測試儀。劃痕儀軟件進(jìn)行單條和自動(dòng)多條劃痕測試，劃痕過程中采集聲發(fā)射、摩擦系數(shù)等多種信號，更容易定義臨界載荷。測試完成后對整條劃痕進(jìn)行全景照片拍攝，抓取整個(gè)劃痕的整體圖像，并將其與其他所需數(shù)據(jù)同步（圖4）。

開發(fā)用于航空航天應(yīng)用的涂料時(shí)，通常需要尋找能使涂層具有最佳附著力的基材。這是涂層附著力問題的典型示例。如圖5，使用納米劃痕測試儀NST3 對兩種基底上的氧化鋁涂層進(jìn)行的漸進(jìn)劃痕測試。劃痕全景圖（圖6）顯示涂層剝落，由此確定其臨界載荷。結(jié)果顯示樣品B (玻璃基底) 的臨界載荷較高。

在厚度通常在幾百微米尺度的熱噴涂涂層上，很難仔細(xì)觀察整個(gè)劃痕深度來確定臨界載荷，通常不會(huì)直接劃傷涂層的上表面。而采用另一種方法，即用恒定載荷在橫截面上劃痕。使用大載荷劃痕儀RST3，用不同的恒定載荷進(jìn)行劃痕，觀察壓頭劃出的圓錐體（圖7）。

除了評估圓錐的尺寸，還觀察了是否存在界面裂紋。如圖7，壓頭在基底上劃傷的痕跡較寬，表示涂層比基底具有更好的抗劃傷性。如果圓錐在基材-涂層界面上起始，則表明涂層的附著力失效，如果圓錐在涂層中起始，如圖7所示，則表明涂層的內(nèi)聚力失效。圖8中，在16 N劃痕下的氧化鋁涂層（Al₂O₃）中有一個(gè)圓錐形失效，這個(gè)圓錐非常小，涂層-基體界面沒有裂紋，涂層上也只有很少的細(xì)微損傷。當(dāng)施加38 N的荷載時(shí)，我們能看到更大的圓錐，包含多個(gè)裂紋。還觀察到涂層-基體界面出現(xiàn)大裂紋，這表明在這種載荷下，開始看到界面損傷，或者說附著力失效。

繪制了兩種類型涂層的圓錐投影面積變化曲線（如圖9），一個(gè)是通過等離子噴涂或HVOF噴涂氧化鋁和氧化鉻陶瓷涂層，另一個(gè)是金屬陶瓷/金屬涂層。發(fā)現(xiàn)金屬陶瓷/金屬涂層的圓錐投影面積較小，這表明金屬陶瓷/金屬涂層比陶瓷涂層具有更好的內(nèi)聚力。通過比較第一個(gè)界面裂紋出現(xiàn)的載荷和相同載荷下界面裂紋的長度，也可以定性評估附著力。

硬度和彈性模量測量

對于涂層或體積較小的樣品，納米壓痕儀（NHT³）是測量其硬度和彈性模量的最佳方法。高溫是航空航天行業(yè)的熱門話題，更具體地說，是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中的熱門話題，因此了解高溫下的力學(xué)性能非常重要。使用高溫納米壓痕系統(tǒng)UNHT HTV，其溫度可高達(dá)800°C。

鋁和鈦合金因其重量輕、足夠的力學(xué)強(qiáng)度和良好的耐高溫性而常用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)身。而新型鈦合金經(jīng)過不同熱處理過程，可能產(chǎn)生力學(xué)性能的變化，而宏觀力學(xué)性能取決于微觀結(jié)構(gòu)性能。壓痕法是檢查較大區(qū)域的硬度或彈性模量是否均勻，并解釋疲勞裂紋萌生機(jī)制最佳解決方案。使用納米壓痕測試儀，在約480 μm²的較大范圍內(nèi)，壓了25×25個(gè)點(diǎn)、間距為20 μm的625個(gè)壓痕（圖10）。接著通過壓痕軟件進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，生成硬度和彈性模量的2D圖和高斯擬合統(tǒng)計(jì)分析（圖11）。結(jié)果可以與EBSD（電子背散射衍射）的晶粒取向分析結(jié)果結(jié)合起來，研究晶粒取向?qū)αW(xué)性能的影響。這有助于理解為什么某些晶體取向?qū)α鸭y形成更敏感。

耐高溫鋼通常需要保持高強(qiáng)度到600°C以上，了解高溫下的力學(xué)性能，對于性能、安全操作和焊接策略至關(guān)重要。改溫測試通常在室溫下開始，并上升至最高溫度，比如600°C。在每個(gè)溫度下，都可以進(jìn)行測量，得到彈性模量、硬度、壓痕功，在某些情況下還可以得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線和屈服強(qiáng)度等結(jié)果。高于400°C的溫度下，需要使用碳化鎢制成的球形壓頭進(jìn)行壓痕，以避免壓頭在鋼中擴(kuò)散。如圖12，可以看到材料的硬度隨著溫度的升高而降低，在400至600°C之間觀察到顯著的下降。圖13為不同溫度下，以不同應(yīng)變速率測量得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和屈服強(qiáng)度。在室溫和550°C下通過經(jīng)典拉伸試驗(yàn)測得的屈服強(qiáng)度分別為520 MPa和388 MPa。壓痕法測屈服應(yīng)力的結(jié)果通常與傳統(tǒng)方法（如單軸拉伸或壓縮試驗(yàn)）獲得的結(jié)果不一致，但變化趨勢一致。