【论文推荐】中国航发航材院田浩亮团队论文：酸性盐雾腐蚀对Al-BN涂层可磨耗性能的影响

2025-02-27 11:43:11 作者：房永超来源：材料工程分享至：

研究背景

The research background

以铝氮化硼（Al-BN）涂层为代表的可磨耗封严涂层多制备于航空发动机压气机机匣表面，用于防止叶片在高速旋转过程中发生碰撞损伤的同时，减小气体泄漏，提升相应工段整体气密性。随着航空发动机等装备在海洋环境中的使用需求， Al-BN等涂层在海洋环境下因腐蚀等造成的组织结构转变，可能直接影响航空发动机的服役安全性。近年来，虽有部分研究对Al-BN涂层腐蚀后的性能变化进行了分析，但研究方法与真实服役工况差别较大，难以为相关涂层的设计改性提供有效指导。因此，亟须针对性开展海洋环境损伤对Al-BN涂层组织结构及性能影响的研究。

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主要创新点

（1）证明了酸性盐雾腐蚀192 h后的Al-BN涂层出现了涂层黏附对偶叶片的情况，刮磨过程中叶片高度升高，摩擦因数增大，即酸性盐雾腐蚀削弱了Al-BN涂层的可磨耗性能。

（2）揭示了酸性盐雾腐蚀后，Al-BN涂层表层产生的由未腐蚀Al金属相、腐蚀产物Al₂O₃、黏结剂SiO₂、腐蚀介质NaCl以及残留的BN相等构成的腐蚀致密区是导致涂层可磨耗性能转变的关键。

（3）Al-BN涂层表面致密腐蚀层在刮磨过程中从涂层表面被刮离，并在黏附于对偶叶片的同时在涂层表面挤压变形，从而造成Al-BN涂层刮磨机制由塑性变形、黏着磨损混合形式转变为塑性变形、黏着磨损、刮离黏附混合机制。

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主要研究成果

图1为Al-BN涂层酸性盐雾腐蚀前后的X射线衍射谱图。由图3可知，喷涂态涂层的成分为Al与BN。腐蚀态涂层的成分为Al、BN、NaCl、Al₂O₃。其中，Al₂O₃应为腐蚀产物，这也与涂层表面几乎被白色腐蚀产物覆盖现象相吻合。

图1 Al-BN涂层酸性盐雾腐蚀前后的XRD谱图

酸性盐雾腐蚀192 h后的Al-BN涂层截面形貌如图2（a-1），（a-2）所示，在面层顶部形成了厚度约为300～350 μm的腐蚀致密区，腐蚀致密区以外的Al-BN面层仍保持与喷涂态涂层相近的孔隙分布情况。腐蚀致密区内部如图2（b-1），（b-2），（c-1），（c-2）所示，在腐蚀致密区内部局部位置可观察到明显的由Al元素与O元素构成的腐蚀区域（标记为D），与物相分析结果较为吻合。

图2 腐蚀态Al-BN涂层背散射模式（1）与二次电子模式（2）截面形貌（a）低倍图；（b），（c）高倍图

Al-BN涂层腐蚀前后的平均表面硬度分别为（12.9±0.6）HBW与（11.3±1.5）HBW，平均结合强度分别为（13.3±1.0） MPa与（13.7±4.9） MPa，腐蚀后涂层的表面硬度与结合强度数值离散性增大。因此，酸性盐雾腐蚀对Al-BN涂层的机械性能造成了显著影响，该现象也与涂层可磨耗性能测试结果吻合。酸性盐雾腐蚀后涂层的平均摩擦因数由0.34±0.02提升为0.55±0.03，进给深度比IDR值由（11.43±0.46）%转变为－（12.02±0.38）%。

图3为喷涂态Al-BN涂层刮磨面显微结构。从图3（a）可以看出，喷涂态涂层的刮削表面呈现为典型的塑性变形磨损平面，刮磨面孔隙较少且可观察到明显的犁沟状形貌。由图3（b）~（d）可见，喷涂态涂层刮削面犁沟间为塑性变形区域与黏着磨损混合状态，且可以观察到含有Ti元素的对偶叶片掉落磨粒，说明在TC17对偶叶片与喷涂态Al-BN涂层刮磨过程中对叶片造成磨损并引发叶片剥落。

图3 喷涂态Al-BN涂层背散射模式（1）与二次电子模式（2）截面形貌（a）低倍图；（b），（c）高倍图

图4为腐蚀态Al-BN涂层刮磨面显微结构。从图4（a）可以看出，腐蚀态涂层刮磨面虽与喷涂态涂层类似，均可观察到明显的犁沟形貌，但从图4（b）中可以发现腐蚀态涂层在塑性变形与黏着磨损混合区以外，存在较宽的刮离区形貌。由图4（c），（d）可知，刮离区与塑性变形区相间分布。因此，酸性盐雾腐蚀192 h后，Al-BN涂层的可磨耗刮磨机制由塑性变形、黏着磨损混合形式转变为塑性变形、黏着磨损、刮离黏附的混合机制。

图4 腐蚀态Al-BN涂层刮削面显微形貌

（a）犁沟；（b）刮离区与磨损混合区；（c），（d）刮离区

酸性盐雾腐蚀前后Al-BN涂层可磨耗行为转变如图5所示：首先，酸性盐雾腐蚀192 h后，Al-BN涂层表面存在组织与结构分布均匀性较差的腐蚀致密区，其呈现硬度与结合性数值离散性较大的特点；随后，刮磨过程中涂层发生挤压与塑性变形的同时，硬度较低或结合性较差的部分涂层被刮离，在对偶叶片的运动方向堆积，其中一部分被挤压在涂层表面，另一部分黏结在对偶叶片摩擦端面；最后，随着进给深度的不断增加，被刮离的涂层不断增多，对对偶叶片的黏附不断增加，最终导致对偶叶片高度的增加。同时，由于被刮离涂层在对偶叶片与涂层间不断被挤压，造成对偶叶片与腐蚀态涂层间相互作用过程相较于喷涂态涂层更为剧烈。

图5 Al-BN涂层腐蚀后可磨耗性能演变机理示意图

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团队介绍

本团队依托于中国航发北京航空材料研究院与中国航发集团航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，具备完善的航空用表面工程技术研发软硬件实力。该研究受“国家重点研发计划（2021YFB3702004）”、“国家科技重大专项（2017-VII-0012-0109）”、“国家自然科学基金（52075508，52305224）”、“中国航空发动机集团科技创新平台项目（CXPT-2023-028）”资助。

编辑：齐书涵

校对：齐新

审核：赵淼

原文出处

房永超, 李姝, 刘振, 李彰, 王森源, 王长亮, 田浩亮, 韩晓涵. 酸性盐雾腐蚀对Al-BN涂层可磨耗性能的影响[J]. 材料工程, 2025, 53(2): 39-49.

FANG Yongchao, LI Shu, LIU Zhen, LI Zhang, WANG Senyuan, WANG Changliang, TIAN Haoliang, HAN Xiaohan. Effect of acid salt spray corrosion on abradability of Al-BN coatings[J]. Journal of Materials Engineering, 2025, 53(2): 39-49.

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