高速透平箔片动压气体轴承固体润滑涂层研究进展

中图分类号： TH117.2 文献标志码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.05.008Develo.ment of SoHd Lubricant Coating for Gas Foil Bearing of High-Speed Turbine M achineryZHENG Yue-qing ，MA Bin ，SUN Wan ，HOU Yu(1.Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China；2.Institute of Mechanical Manufacturing Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)Abstract： Hydrodynamic gas foil bearing are wildly applied in high speed turbine machinery，such as turbo-expander.micro-gas turbine and turbo-charger.The lubrication and protection for the start and stop stages of a high speed turbine rotor can be sup-plied by solid lubricant coatings，which could also be a vital factor for the stable and long time running of the turbine machinery。

The history and p-to-date development of the gas foil bearing solid coatings were reviewed，and the properties，applications，ad-van tages and disadvantages of the PS solid coating，the Korolon solid coating and the DLC solid coating were discussed in detail。

Key words： foil bearing；high-speed turbine；solid lubricant coating1 前言箔片动压气体轴承(简称箔片轴承)是-种自作用式具有柔性表面弹性支承的动压气体轴承，靠流体动力润滑机理工作。与传统的刚性轴承相比，箔片轴承的特点主要表现在以下几方面：(1)由弹性可挠箔片构成，抗冲击性好；(2)采用气体润滑，不存在润滑介质高温变质或低温冻结问题，因此可在较高的温度或极低的温度下工作；(3)作为润滑剂的气体为环境气体，无须独立供气系统；(4)可以工作在数万转/分钟的转速下，最高可达几十万转/分钟 。

透平转子正常运行时，流体动压作用使转子浮于润滑气膜上，理论上不存在固体接触，因此稳定运行的箔片轴承几乎不存在磨损。但在启妥段，低转速的转子与轴承之间无法形成有效的动压气膜从而处于接触摩擦状态。转子与箔片间的接触摩擦，会造成表面磨损、启动力矩大、寿命减少等问题 ～]。因此，解决启停过程中的摩擦问题对箔片轴承系统可靠性与长寿命至关重要，甚至关系到箔片轴承系统应用的可行性。

改善箔片轴承启停摩擦最常用也最成熟的方收稿日期： 2013-01-08基金项目： 国家 自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合基金项目(11176023)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目；中物院重点发展基金(2011A0203011)2013年第 41卷第 5期 流 体 机 械 35法是使用固体润滑，通常是将固体润滑材料以涂层的形式涂覆于箔片或转轴表面，来降低箔片轴承启妥段的接触摩擦力。本文介绍国内外箔片轴承固体润滑涂层的研究工作，并在此基础上进行初步的总结与分析。

2 国外研究概述国外主要有两家研究机构在箔片轴承固体润滑涂层领域进行了较系统的研究工作，分别是美国的 NASA Lewis实验室与 MITI公司，他们的研究各有特点。其中 NASA Lewis实验室研制的涂层多用于转子表面，而 MITI公司研制的涂层多用于箔片表面。1984年，美国航空航天局(NASA)Lewis实验室的RobeC等提出，使用聚酰亚胺粘结氟化石墨 (PBGF)与硅酸盐基石墨/氧化镉(SBGC)作为箔片轴承固体润滑剂涂覆于 Inconel750箔片表面，其设计使用温度在 25-3l5℃。研究中还使用了粘结 MoS 涂层与粘结石墨涂层，并与 SBGC和 PBGF性能比较。研究结果表明，SBGC和PBGF具明显的减摩作用，同时具有较高的使用寿命，而粘结 MoS 和粘结石墨虽具有较好的减摩性 能，但使用寿命有限 J。1985年，NASA Lewis实验室 Robea C等提出PS200涂层 ，这是-种用于转子表面的涂层，其最高使用温度可达650oC。PS200采用等离子喷涂方法制备，其主要成分包括：镍基合金、CrC、金属 Ag和 BaF /CaF 共晶体。其中镍基合金作为粘结剂，Cr c作为耐磨组分，Ag作为低温润滑组分，而 BaF：/CaF 共晶体作为高温润滑组分。测试表明，PS200具有很好的耐磨性和润滑性，并使箔片轴承系统获得超过 9000次启停的使 用寿命 J。

PS200采用等离子喷涂制备，表面多孔粗糙，需要经过抛光才能使用，而 PS200中的碳化铬硬度极高决定抛光需要使用金刚石砂轮，因此 PS200的制备成本非常高；另外，在高温下碳化铬会氧化，影响性能 。

Cone等人在PS200的基础上改进提出PS300涂层。PS300以 cr2O3替代 PS200中的 cr c 。其优点在于：(1)氧化铬成分使 PS300可以使用 SiC抛光，而不需要金刚石，加工成本降低。(2)氧化铬是氧化物，因此不受空气氧化的影响，使其能够在大气环境中表现出稳定的性能。(3)配料花费更少。(4)具有更好的高温润滑性 。

PS300虽然具有很好的摩擦学性能，但研究中发现，其热胀系数与基底材料具有明显差异，在遭遇交变温度时极易脱落。为此，DelaCoae等人对PS300中的成分配比进行了优化，以获得与基材-致的热膨胀系数，这-努力使得著名的PS304涂层(1998年)应运而生。它的成分配比为：60wt%的镍铬合金、20wt%的 cr3O2，10wt%金属 Ag、10wt%BaF /CaF 共晶体。实验证明该涂层具有很好的性能，甚至经历10万次启停测试后，仍可以继续使用。PS304的缺点是其室温性能不佳，主要表现为造成对偶件(箔片)的严重磨损。然而，DelaCoe等认为，大部分f青况下常温工况所占的工作时间很少，因此可以忽略不计 。

PS304研发成功后，DelaCoae等人仍在近-步寻求性能更优的涂层材料。2009年，DelaCoae等又提出 PS400材料。PS400也采用等离子喷涂方法制备，但选用的粘结剂合金的成分为 Ni、Mo和 Al，而不含 Cr，DelaCoae等认为这样可以解决Cr氧化造成的尺寸稳定性问题。PS400仍使用Cr2O 作为耐磨组分，并使用 Ag和 BaF /CaF：共晶体作为高低温固体润滑剂，但其固体润滑剂成分有所减少，以增加其高温下的强度，并改善其抛光后的表面质量(～0.25 m，优于 PS304抛光后的0.8 m表面质量)。实验表明该涂层具有优异的高温性能，但其室温性能仍不佳，这也是 PS系列涂层普遍存在的问题l 。

总结 NASA Lewis研究历程，可以发现 NASALewis实验室研究主要针对高温工况，之所以关注室温性能，是考虑到设备长时间停机后的首次启动为室温工况，由于启动后工况温度会上升，室温工况维持时间较短，因此涂层的室温性能只要维持在可接受的范围内即可，并且只要启停过程维持在室温阶段的时间足够短，磨损也可忽略u 。

因此，改善涂层室温性能在 NASA Lewis实验室的研究中-直被忽略。

MITI是另-家对箔片轴承固体润滑涂层进行了较系统研究的机构。2005年，MITI的 Hesh。

mat等人对箔片轴承涂层与涂层间配对进行了研究，在箔片表面尝试了多种 Korolon 。M系列涂层，而转子表面尝试 了 PS304、硬铬、致密铬、Koro1。

on 1350。表 1中列出了部分 Korolon州系列涂层。试验表明，Korolon M涂层具有优异的摩擦学性能，可以满足箔片轴承高温高速的使用要求。

FLUID MACHINERY Vo1.41，No.5，2013其中，箔片表面涂覆 Korolon 1350/KorolonTM800与转子表面涂覆致密铬配对 ，获得最优性能，并且通过 了 7O次 启停 14h连续运 行 的寿命测试 。

表 1 耐磨减摩 Korolon 涂层型号 Kor0lonTM700 KorolonTM800 K0ml0nTM1350聚合物基固 二硫化钼基 镍铬基固 化学成分体润滑剂 固体润滑剂 体润滑剂极限温度 370℃ 385℃ 800℃基底材料 金属 金属 金属颜色 银灰 暗灰 暗灰摩擦学性能 耐磨减摩 耐磨减摩 耐磨减摩2009年 MITI的Jahanmir等研究了DLC(Dia-mond Like Carbon，类金刚石)膜在箔片轴承中的应用。分别使用了含氢 DLC膜和无氢 DLC膜，以及 KorolonⅢ900(-种二硫化钨基固体润滑剂)和镀铬层，并进行了对偶研究。研究表明 DLC并没有提供很好的润滑特性，而是由 Korolon 900主要发挥润滑剂作用，DLC仅作为耐磨材料保护基材，然而在缺乏 良好润滑剂的情况下，DLC的耐磨性也大打折扣 。

3 国内研究概述国内对箔片轴承涂层研究的起步较晚，相关文献也较少，主要是-些探索性研究。2003年，侯予等尝试了 2种箔片表面涂层：(1)箔片表面镀硬质合金 cr。(2)箔片表面镀减摩材料 Ni，研究表明涂层使箔片轴承的稳定性和运转特性得到改善，并使转子达到更高的稳定转速，同时降低了启陀触摩擦与轴承涡动对转子及箔片表面造成的磨损 。2006年，丁春华和张洪涛等，尝试以粉末冶金法制备的成分与 PS304相同的PM304涂层，制备的涂层具有较好的材料学性能。但研究仅限于分析 PM304的材料学性能，而没有进行台架测试和使用寿命研究 18]。2010年，郑越青尝试以DLC作为箔片轴承固体润滑材料，实验中将 DLC涂覆与箔片或转子表面并组成摩擦副。

实验结果表明 DLC的配对润滑效果并不理想，且其性能受工艺影响较大 。

4 关键技术分析与建议4.1 特定温区的涂层研究虽然箔片轴承的适用温度范围宽，但作为其涂层的固体润滑材料却具有明显的温度适用范围，因此针对不同的工况温度需要研发不同的固体润滑涂层。涂层的工况温度实际上撒于箔片轴承的应用环境，比如应用于燃气轮机中，工况温度为高温，应用于涡轮增压机中 ，工况温度为中温，以及在低温透平膨胀机中 川，工况温度为低温。应用于高温工况下的固体润滑涂层以 PS系列为代表，它们适用于高温或高温占绝大部分时间的工作环境 ，而在中温工况下，Ps涂层并不合适，也不经济。对于中温工况，宜采用中温固体润滑涂层，这类涂层通常以有机树脂作为粘结剂，结合 MoS 、聚四氟乙烯、聚酰亚胺等作为润滑组分，它们的使用温度-般不超过 400C，但其润滑性通常比 Ps系列涂层要好，如前所述的 Korol-on 系列中的-些涂层就属于这类涂层 。关于箔片轴承低温工况下固体润滑涂层的研究几乎未见文献报道。

4.2 涂层的摩擦副配对研究箔片轴承涂层的研制不仅仅是涂层材料本身的研制，还需要考虑摩擦副配对，NASA Lewis实验室与 MITI的研究人员均注意到这-问题的重要性，并开展 了系统的研究工作。比如，NASALewis研究人员提出的涂覆 A1-Cu的箔片与PS304转子配对 J，以及 MITI研究人员提出的镀硬 Cr的转 子与涂 覆 Korolon 900的箔片 配对 ，均使箔片轴承的性能较单独使用-种涂层得到进-步提高。大量的研究表明，转子表面涂覆硬质涂层，而箔片表面涂覆软质涂层是比较合理的方案 ' j，这可能与箔片轴承系统的跑合特性有关，实验研究发现，箔片轴承系统无论使用涂层与否，均需经历-定时间的跑合才能到达理想性能 j。跑合过程本身是局部接触区的优先磨损，相对于转子整个周向参与摩擦，箔片的摩擦接触区域是相对固定的，因此箔片表面使用软涂层可使系统更快的完成跑合，从而达到最优性能，渡过跑合期后箔片轴承磨损速度将大大降低，因此跑合期磨损不会对使用寿命产生严重影响。

4.3 DLC涂层用于箔片轴承的研究DLC涂层是近些年来备受关注的-种固体润滑材料 ，其优异的耐磨减摩性能已被大量实验证实，但 DLC在 箔 片 轴 承上 的应用 并 不 成功 ， ， ]。这可能与 DLC特殊的润滑机理有关，学术 界 普 遍 认 为 DLC 的润 滑 机 理 有 两 方2013年第 4l卷第 5期 流 体 机 械 37面 ：(1)在对偶面形成光滑的转移膜，从而减低摩擦力 ；(2)表面钝化，使界面间化学键作用力减弱，从而降低摩擦力[28，29]。转移膜的形成需要消耗涂层的材料，当接触面积很小时，消耗很少的涂层材料便可在对偶表面形成完整转移膜，但箔片轴承摩擦副接触面积较大，可以说几乎等于涂层面积，因此很难形成覆盖整个对偶面的完整的转移膜。钝化作用表现为削弱界面间的化学键作用力，而化学键作用是短程力，只有在界面的表面质量达到纳米级时才能体现钝化的减摩作用，通常实验室中采用的试验件表面质量可达到很高，但对于实际的转子和箔片工件来说几乎是不可能的。从以上分析来看，DLC涂层可能并不适合作为箔片轴承的固体润滑涂层，但可以作为耐磨涂层被使用。

5 结语本文综合阐述了箔片轴承固体润滑涂层 国内外研究的基本概况。箔片轴承固体润滑涂层的研究与固体润滑技术和涂层技术密切相关，并且是-项非常艰巨的工作，实际上，是对大量可能用于箔片轴承的涂层材料的制备、评价、筛选以及性能优化的过程。发达国家(以美国为代表)经过数十年扎实的实验研究，技术已相当成熟。而我国虽然在该领域也进行了-些积极的探索，但与发达国家相 比差距明显 ，今后需加快研究步伐 ，尽早掌握发展箔片轴承所必需的这-关键技术。