航空发动机轴间密封用C/C复合材料的滑动磨擦磨损特性研究

【摘要】：密封环是航空发动机主轴密封的关键零件。其工作条件和环境要求密封材料具有高强度、高抗氧化性、良好的导热性和低而稳定的摩擦系数与低的磨损等性能。本论文着重对不同工艺制备出的C／C复合材料和高强石墨材料在室温和高温下的滑动摩擦磨损特性进行了研究。 所有试样按制备工艺不同分为三组：CVD+树脂浸渍增密、纯CVD增密和纯树脂浸渍增密。采用CVD和三次树脂浸渍增密并经过最终石墨化处理后，1~#材料的密度为1.87g／cm~3，石墨化度可达78％，其平行方向导热系数达75.9W／m·K。 C／C复合材料在室温下与钢的镀铬层对磨时，其摩擦磨损性能与制备工艺、石墨化度、密度、纤维取向等材料特性有着密切的关系。采用CVD+浸渍工艺制备并经过多次浸渍增密且石墨化后的1~#材料具有优良的摩擦磨损特性。其在150N载荷摩擦1h后，摩擦系数仅为0.12，体积磨损量仅为0.91×10~(-4)cm~3。材料的石墨化程度越高，密度越大，其摩擦磨损性能也越好。一般情况下在载荷适中时，垂直试样的摩擦系数要大于平行试样，而体积磨损量却小于平行试样。总的来看，采用CVD+浸渍增密并具有以RL结构为主的1~#材料更适宜用作航空发动机主轴密封环。C／C复合材料在室温下的摩擦系数和磨损量都比高强石墨低，前者的摩擦系数在0.12～0.14范围内，而后者在0.25左右。C／C复合材料在室温下的摩擦磨损性能与时间、载荷、润滑状态等试验条件有着重要的联系。随时间的延长，材料的摩擦系数趋于稳定。载荷对摩擦膜有着重要影响，1~#材料在150N摩擦5h后，其摩擦系数仅为0.12。水润滑和油润滑状态下，材料的摩擦系数比干态下要低。但水润滑时材料的磨损量最大，4~#材料平行试样在150N水润滑摩擦5h后体积磨损量高达93.2×10~(-4)cm~3。而油润滑时磨损量较小，干态下则最小。 温度对C／C复合材料的摩擦磨损性能有着重要影响。温度的升高引起摩擦表面粘着趋势增加，材料的摩擦系数和磨损量增大。对于1~#材料，在300℃时摩擦1h后摩擦表面形成的摩擦膜降低了粘着磨损的趋势，使得材料摩擦系数和磨损量较小。这说明，摩擦表面形成良好的摩擦膜是C／C复合材料在高温下摩擦磨损性能优异的一个重要因素。在高温下，不同载荷、转速和时间等试验条件对C／C复合材料的摩擦磨损性能也有着重要影响。随着载荷和转速的提高，C／C复 合材料摩擦系数和磨损量增大。随着时间的延长，在“跑合”期结束后，C/C复 合材料摩擦系数较低，磨损量趋于稳定。 C/C复合材料在室温下的摩擦磨损过程以磨粒磨损机理为主，在高温下的摩 擦磨损过程为粘着磨损和氧化磨损机理，还伴随着有磨粒磨损。