可磨耗封严技术作为一项可进一步提升航空发动机性能的重要技术受到广泛关注，它可在维持航空发动机旋转部件和静止部件之间最小间隙的同时实现气路密封，在降低热耗和提高功率输出方面发挥重要作用。可磨耗封严材料在服役过程中能够发生主动磨损，有效延长航空发动机关键部件（压气机叶片、涡轮叶片^[1]）的服役寿命，经济效益显著。目前，AlSi/聚苯酯、Ni/石墨、CuAlNi/石墨、Al/BN、MCrAlY(M:Ni、Co)/聚苯酯等可磨耗封严材料已被广泛应用于航空发动机气路封严^[2−4]。GE公司将封严材料应用于GE90航空发动机，每个位置的热耗降低0.2%～0.6%，功率输出提高0.3%～1%^[5]。Rolls-Royce公司采用封严材料将推力比油耗至少降低了0.5%，叶片磨损降低，Trent500型发动机服役寿命延长^[6]。

Al/BN复合材料具有优异的可磨耗性和耐气流冲蚀性，低的摩擦系数，摩擦时对叶片不造成损伤，成为发动机压气机部位可磨耗封严的首选材料，其摩擦磨损失效机制和组织调控是国内外学者研究的热点。Stringer和Marshall^[7]研究了钛合金叶片叶尖侵入可磨耗涂层AlSi/hBN（hexagonal boron nitride，hBN）的深度对其高速摩擦磨损行为的影响。结果表明，叶片叶尖侵入深度越深，粘着磨损越小，侵入深度较浅时摩擦磨损失效表现为粘着磨损。Fois等^[8]将钛合金叶片叶尖的粘着磨损分为三个阶段：开始阶段，稳定阶段和剥落阶段。Liu等^[9]研究了Al/hBN与钛合金叶片及表面覆盖Ni/Si₃N₄涂层的摩擦磨损行为。结果表明摩擦磨损后钛合金叶片表面覆盖不同程度的Al/hBN材料，而表面覆盖Ni/Si₃N₄涂层的钛合金叶片表面并未发现明显的Al/hBN材料转移现象。上述铝基可磨耗封严材料都采用喷涂工艺制备，而涂层沉积是通过熔融液滴的撞击、扁平化、快速冷却凝固及后续的层层叠加形成，涂层中的典型缺陷会显著降低涂层的结合强度，如层间未熔合、裂纹、孔隙等^[10−11]，在服役过程中易产生崩裂或掉块现象。同时，喷涂可磨耗封严材料过程中存在BN烧损，导致成分控制难度增加^[12]。为了获得致密无缺陷的可磨耗封严材料，粉末烧结工艺被广泛关注。Loganathan等^[13]采用冷压成形和烧结工艺制备Al2024/hBN复合材料。研究表明，随着hBN质量分数提高到7.5%，复合材料的摩擦磨损抗力相较于纯Al2024材料提高74.9%，摩擦磨损抗力的提高归因于摩擦副之间存在润滑层，降低了摩擦副金属材料表面的直接接触。为了克服铝及铝合金材料和BN材料之间润湿性差的难题，研究者通过高能球磨的方法调控铝材料和BN材料的界面，Du等^[14]采用高能球磨和热压烧结方法制备Al/BN复合材料，拉伸性能相较于纯铝提高了100 MPa，力学性能的提高归因于铝合金和BN材料界面形成1～2 μm的AlN和AlB₂相。Steinman等^[15]同样采用高能球磨制备Al/BN复合材料，拉伸强度在25 ℃和500 ℃分别达到380 MPa和170 MPa，这主要是源自AlN和AlB₂相的形成、(111)_Al/(0001)_AlN界面结合能和$ {\left( {{\text{111}}} \right)_{{\text{Al}}}}/{\left( {000{\text{1}}} \right)_{{\text{Al}}{{\text{B}}_{\text{2}}}}} $位错移动临界切应力。Firestein等^[16]采用高能球磨和放电等离子烧结制备Al/5%BN复合材料，拉伸强度达到385 MPa。因此相较于涂层工艺，粉末冶金工艺制备的Al/BN材料更加致密，使得粉末冶金材料具有更高的力学性能。

涂层技术和粉末烧结技术已经被广泛应用制备铝基可磨耗封严材料，但涂层技术制备的铝基可磨耗封严材料存在固有缺陷，材料的力学性能偏低，在喷涂制备过程中BN材料易烧损，成分控制难度较大。常规的烧结技术面临烧结组织均匀性难题，尤其针对航空发动机压气机用大尺寸可磨耗封严零件的制备。本研究采用球磨工艺和热压烧结技术，通过调控烧结样品微观组织，实现致密Al2024/hBN可磨耗封严材料的制备，为制备航空发动机用封严环结构件奠定基础。

1.   实验材料及方法

1.1   实验原料

实验原料均采用国产商业化材料，分别为氮化硼粉末材料和铝合金粉末材料。可磨耗陶瓷材料采用结晶度高、晶片发育完整、晶片尺寸大的六方氮化硼（hBN），粉末粒度中位径（D₅₀）为35 µm，振实密度为0.6 g·cm⁻³，比表面积为2 m²·g⁻¹，粉末纯度高于99.4%。Al2024粉末采用粒径为15～53 μm的铝合金粉末，粉末形貌为球形，粉末中位径（D₅₀）为35 μm。hBN粉末和Al2024粉末形貌如图1所示，Al2024粉末化学成分如表1所示。

图  1  实验用粉末形貌：（a）hBN；（b）铝合金2024

Figure  1.  Powder morphology used in the experiment : (a) hBN; (b) Al2024

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  Al2024粉末化学成分（质量分数）

Table  1.  Chemical composition of the Al2024 powders %

	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Cr	Ti	Al
标准值	≤0.50	≤0.500	3.80～4.90	0.300～0.900	1.200～1.800	≤0.25	≤0.10	≤0.150	余量
实测值	0.02	0.082	4.87	0.711	1.691	＜0.05	0.01	＜0.001	余量

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   实验工艺

首先将Al2024粉末和hBN粉末进行真空干燥处理，干燥时间2 h，温度120 ℃，然后将Al2024粉末和hBN粉末按照重量比4:1放置于真空球磨罐中，同时放入304不锈钢钢球，球料比20:1，转速400 r·min⁻¹，球磨时间分别为2 h（1#样品）、100 h（2#样品）、120 h（3#样品），为了控制混料罐中氧含量，试验粉末放入真空球磨罐后抽真空处理，随后通入氩气保护，最后将球磨粉末从球磨罐中取出后真空包装。

通过热压烧结工艺制备可磨耗封严材料，首先将球磨粉末50 g置于直径50 mm石墨模具中，随后压实，然后在HPS-200III设备上热压烧结成形，热压烧结压力40 MPa，热压烧结温度500 ℃，升温时间20 min，保温时间5 min，随炉冷却至室温后取出。热压烧结过程示意图及热压烧结样品如图2所示，样品压制方向为Z向，与表面垂直，与截面平行。烧结样品尺寸为ϕ50 mm×10 mm。

图  2  可磨耗封严材料热压烧结过程示意图及烧结样品

Figure  2.  Schematic diagram of hot-pressing sintering and the abradable sealing samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   测试与表征

分别采用Leica Dmi5000m光学显微镜（optical microscope，OM）和ZEISS Gemini SEM 300扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）观察可磨耗封严材料微观组织。利用日本理学Rigaku Smart Lab的X射线衍射仪（X-ray diffraction，XRD）进行物相分析，测试采用Cu靶，扫描速率5°/min，扫描角度20°～90°。使用HR15Y洛氏硬度表征硬度，WC球直径12.7 mm，载荷为15 kg，每个样品硬度测试数据不低于5个数值。通过布鲁克UMT-3多功能摩擦试验机进行摩擦磨损实验，实验温度为室温，对偶件采用直径9 mm的GCr15钢球，实验载荷10 N，频率2 Hz，实验往复行程为5 mm，磨损时间为15 min。采用NETZSCH公司的热膨胀仪测定线膨胀系数，测试温度范围室温至500 ℃，升温速度10 ℃·min⁻¹，测试过程氩气保护。三点抗弯实验样品尺寸为10 mm×10 mm×50 mm，温度为室温。

2.   结果与讨论

2.1   可磨耗封严材料密度

可磨耗封严材料通过热压烧结制备，1#、2#、3#烧结体的密度分别为2.52、2.51、2.52 g·cm⁻³，达到复合材料理论计算密度的97%，烧结体密度并未随球磨时间的延长而变化。

2.2   可磨耗封严材料微观组织

图3为热压烧结可磨耗封严材料截面光学微观组织。由图3（a）微观组织看出，黑色hBN分布在Al2024颗粒周围，同时发现灰白色Al2024颗粒形貌相较于原始Al2024粉末形貌并未发生大的改变，依然保持球形；图3（b）为球磨100 h后热压烧结2#样品微观组织，可以看出微观组织对比图3（a）发生显著改变，Al2024颗粒形状发生改变，出现条状铝合金；图3（c）为球磨120 h后热压烧结3#样品微观组织，微观组织出现明显层状结构特征，可以看出hBN的分布更加均匀。热压烧结样品微观组织发生显著的改变，出现明显的层状结构，这主要是由于在球磨过程中，随着球磨时间的延长，铝合金颗粒不断被不锈钢球撞击而发生变形，形成片状铝合金粉末，使得hBN材料有机会分布在片状铝合金中间，形成典型的层片状微观组织，而层状微观组织表现出明显不同的力学性能。

图  3  可磨耗封严材料截面微观组织：（a）1#样品；（b）2#样品；（c）3#样品

Figure  3.  Microstructure of the abradable sealing materials: (a)1#; (b)2#; (c) 3#

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.3   可磨耗封严材料物相分析

热压烧结可磨耗封严材料物相分析结果如图4所示，可磨耗封严材料样品由Al合金相（PDF：04-0787）和hBN相（PDF：34-0421）组成，可以看出不同热压烧结样品物相基本保持一致，并未随球磨时间的延长而改变，同时在热压烧结样品中未发现Al₂O₃相的存在，说明球磨和热压烧结过程中氧气得到较好的控制。已有大量文献^[14,17]报道，铝合金与hBN在高温条件下能够发生如下化学反应：2BN+3Al→2AlN+AlB₂，反应生成的AlN和AlB₂对于改善铝合金性能及铝合金和hBN材料之间界面润湿有积极的意义。在本文X射线衍射结果中未发现AlN相（PDF：25-1133）和AlB₂物相（PDF：39-1483）的存在，可能原因是热压烧结保温时间过短，AlN相和AlB₂相还未形成，或者反应生成的AlN相和AlB₂相含量较低，难以通过X射线衍射测试手段来表征。

图  4  可磨耗封严材料物相分析

Figure  4.  XRD patterns of the abradable sealing materials

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.4   可磨耗封严材料硬度分析

表2为热压烧结可磨耗封严材料HR15Y洛氏硬度。热压烧结样品洛氏硬度平均值均在HR15Y 90以上，高于文献报道的可磨耗封严涂层硬度数据^[18−20]，这与热压烧结样品相较于涂层样品具有更高相对密度密切相关。通过延长球磨时间，可磨耗封严材料微观组织呈现明显不同的结构特征，但洛氏硬度值均保持较高的水平，并未随球磨时间的延长而变化。

表  2  可磨耗封严材料洛氏硬度值

Table  2.  Rockwell hardness of the abradable sealing materials

样品	硬度值1	硬度值2	硬度值3	硬度值4	硬度值5	平均值
1#	90.0	91.0	91.5	91.0	91.5	91.0
2#	89.0	91.0	91.0	91.5	90.0	90.5
3#	92.0	92.0	91.5	92.0	92.0	91.9

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.5   可磨耗封严材料摩擦磨损

表3为可磨耗封严材料摩擦磨损试验结果。相较于1#样品，2#和3#样品的室温摩擦系数下降，同时体积磨损量降低，与摩擦系数变化趋势相同。根据已有文献^[7−9]报道，Al2024/hBN摩擦磨损失效机制主要是由于粘着磨损造成。随着球磨时间的延长，3#样品的hBN分布更加均匀，同时部分hBN分布在片状Al2024之间，这将降低Al2024与对磨金属材料的直接接触面积，从而有效降低粘着磨损的发生，这对于降低摩擦系数并延长可磨耗封严材料构件寿命有积极意义。

表  3  可磨耗封严材料的摩擦系数和体积磨损量

Table  3.  Friction coefficient and volume wear rate of the abradable sealing materials

样品	摩擦系数	体积磨损量 / (×10−3mm3·m−1·N−1)
1#	0.50	2.70
2#	0.36	2.43
3#	0.32	2.30

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.6   可磨耗封严材料热膨胀系数

图5为可磨耗封严材料热膨胀系数随温度变化情况。如图所示，1#样品的热膨胀系数随温度升高呈现升高的趋势，而2#和3#样品的热膨胀系数随温度升高呈现先升高后下降的趋势。2#和3#样品的热膨胀系数在高于300 ℃后发生下降，是由于球磨工艺改变Al2024和hBN界面状态及材料的分布，在高温条件下，有利于促进Al2024和hBN发生进一步烧结或界面反应，从而改变材料的热膨胀行为。

图  5  可磨耗封严材料热膨胀系数随温度变化

Figure  5.  Thermal expansion coefficient of the abradable sealing materials as a function of temperature

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.7   可磨耗封严材料抗弯曲性能

可磨耗封严材料的三点弯曲实验跨距为20 mm，实验温度为室温。图6为可磨耗封严材料的三点抗弯应力位移曲线，1#样品抗弯最大弯曲力为1.2 kN，2#样品抗弯最大弯曲力为1.9 kN，3#样品抗弯最大弯曲力为2.3 kN。三种样品的下压断裂位移均为0.25 mm，但是3#样品抗弯最大弯曲力相较于1#样品提高了近1倍。在三点抗弯试验过程中，裂纹易于沿着hBN层间扩展，与断裂面出现大尺寸光滑片状形貌相吻合；由图3（c）可以看出，3#样品Al2024和hBN材料分布更加均匀，复合材料显示层片组织结构，那么裂纹沿着层片组织结构扩展将消耗更高的能量，表现出更高的抗弯曲能力。

图  6  可磨耗封严材料三点弯曲应力位移曲线

Figure  6.  Stress-displacement curves for the three-point bending test of the abradable materials

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图7为样品的三点弯曲试验断口形貌。由图7可知，可磨耗封严材料的层片结构方向基本与压制方向Z向垂直，而且1#、2#和3#样品的微观组织明显不同，但均未发现铝合金的韧性断裂，与样品断裂时均表现出脆性断裂特征相一致，这与可磨耗封严复合材料含有较高的hBN含量密切相关。由图8和表4能谱分析结果可知，谱图位置1主要成分为hBN，谱图位置2为hBN和Al2024混合物。图7（cʹ）中断口组织几乎全部为层片结构，而Al2024材料从这种层片结构中拔出，将需要消耗更高的能量，与该材料具有更高的抗弯曲能力相一致。

图  7  可磨耗封严材料三点弯曲断面微观形貌：（a）和（aʹ）1#样品；（b）和（bʹ）2#样品；（c）和（cʹ）3#样品

Figure  7.  Three-point bending rupture microstructure of the abradable sealing materials: (a) and (aʹ) 1#; (b) and (bʹ) 2#; (c) and (cʹ) 3#

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  8  2#样品三点弯曲断面微观形貌和能谱分析位置

Figure  8.  Three-point bending rupture microstructure and the corresponding EDS analysis of sample 2#

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  4  图8中点1和点2能谱分析

Table  4.  EDS analysis of point 1 and point 2 in Fig.8

位置	质量分数 / %
	B	N	Al	Cu	Mg	Mn	其他
1	43.04	50.59	2.8	0.17	0.08	—	3.32
2	24.53	10.03	55.7	3.63	0.58	0.26	5.27

下载: 导出CSV 

| 显示表格

综上研究，热压烧结技术为制备致密铝基可磨耗封严材料提供了选择，随着球磨时间的延长，热压烧结样品微观组织发生显著变化，3#样品最大抗弯力提高到2.3kN，相较于1#样品提高了近1倍；3#样品的热膨胀系数随温度先升高随后降低，可能与样品的进一步烧结相关，仍需深入研究。

3.   结论

通过球磨工艺改变热压烧结样品的微观组织，从而实现力学性能的提高，为制备高性能航空发动机用可磨耗封严零部件奠定基础，同时为热压烧结制备高温封严材料提供参考。

（1）随着球磨时间的延长，热压烧结可磨耗封严材料微观组织发生改变，摩擦系数和体积磨损量下降，抗弯曲能力提高近1倍，最大抗弯曲能力提高到2.3 kN。

（2）热压烧结可磨耗封严材料的物相主要由Al合金相（PDF：04-0787）和hBN相（PDF：34-0421）组成。

（3）热压烧结可磨耗铝基复合材料洛氏硬度高达HR15Y 90，高于目前服役的同等封严涂层材料硬度值。