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密封问题的设计研究在科学和技术领域都有非常重要的意义。目前，世界各大透平公司的技术创新与发展中，都把刷式密封技术研究作为其中的重要内容之一。刷式密封的泄漏量是梳齿密封的“1/5～1/10，使透平机械的泄漏损失大幅度下降，并改善了转子的稳定性。除此之外，刷式密封还具有发热量低、维护工艺简单、使用寿命长、对轴系有阻尼作用等优点。因此，刷式密封是已沿用多年的篦齿密封的最简单、最实用、最有效的替代品。刷式密封已在许多先进的工业用燃气轮机、发动机和汽轮机中得到了应用。如NSiemensWestinghouse的燃机、空中客车A发动机、欧洲的幻影、美国的F15、F16以及F22战机中的发动机等。
刷式密封技术的关键之一是刷丝材料的制作，它的性能是决定刷密封性能的关键因素。刷式密封材料在高温高速下同转子涂层配合时，应具有高温下较高的强度、耐磨性和抗氧化性能。耐磨性的好坏取决于合金的抗氧化性以及氧化膜的形态。因此，高温抗氧化性能是刷丝材料的重要性能。
本文以美国现用的Ni-Cr-Al基刷丝材料Haynes（HS）合金为研究对象，以其使用温度℃为实验条件进行高温抗氧化实验，分析HS合金高温抗氧化性能以及Cr与Al元素对其高温抗氧化性能的影响规律，为研制新型刷丝合金提供必要的理论依据。
实验材料及方案
HS合金是一种Ni-Cr基高温合金，其典型化学成分（质量分数，％）为：C，0.04：Cr，16.0；Al，4.5：Fe,3.09；余Ni。
实验合金的高温抗氧化实验按GB/T-氧化增重法测试。试验选择氧化温度为℃，试样尺寸：中10×15mm，表面粗糙度Ra=0.8μm，每25h测1次氧化增重，共测试4次。总持续时间为h。测定氧化速度时按公式（1）计算：
式中：K+：单位面积时间质量的变化，g/m2·h；m1+：试验后试样和坩埚的质量，g：m0+：试验前试样和坩埚的质量，g；SO：试样原表面积，mm2；T：时间，h。
2实验结果与分析
2.1高温抗氧化性能
根据试样在℃下氧化不同时间的增重结果绘制出其恒温氧化动力学曲线，如图1所示。可以看出，随着氧化时间的延长，试样在氧化初期增重速度比较快，之后氧化速度逐渐减小，符合抛物线规律。
在氧化初期，其表面上的晶界缺陷是氧化膜晶粒形成的地方，氧化速度较快。氧化后期钢中的合金元素已经在其表面形成一层氧化物保护膜，并且氧化膜不断增厚，阻碍金属离子与外界氧化性介质发生作用，从而起到抗氧化作用。
根据实验测量数据，由公式（1）计算HS合金在℃条件下的氧化速度来评定其高温抗氧化性能。氧化速度越大，说明该材料抗氧化性能越差，反之，抗氧化性能越好。通过计算可知：HS合金在h内的平均氧化速度为0./m2·h，参照GB/T-氧化增重法抗氧化级别评定标准：氧化速度K+＜0.19/m2·h时，为完全抗氧化性。因此，HS合金抗氧化级别都在完全抗氧化性之列。
2.2氧化膜分析
氧化膜厚度和成分是影响合金抗氧化性的决定性因素。对℃不同时问保温后的试样，在扫描电镜下观察氧化膜形貌，并测量其厚度。合金在℃下不同保温时间的氧化膜形貌如图2所示，图3为不同保温时间的氧化膜厚度变化趋势。
从测量结果可知，HS合金在℃下不同保温时间下的氧化膜厚度在63-μm，氧化膜的厚度是随着氧化时间的延长而增厚。在试样氧化后的Ｘ射线衍射谱中，都出现了Al2O3和Cr2O3的衍射峰，如图4所示。所以合金主要的氧化产物为ＡAl2O3和Cr2O3。
图6和图7分别显示了HS合金在℃下保温25h和h后氧化膜外层（1#位置）、中间层（3#位置）和里层（4#位置）的能谱分析图以及Cr元素和Al元素含量在氧化膜里的变化趋势。
从图6和图7可以看出，氧化膜从外到内，Al含量逐渐降低，Cr含量升高。其中最外层Al含量在50％以上，膜的最外层Al2O3为主要成分，随着深入，Cr2O3所占比重逐渐加大。结合图２氧化膜形貌分析可知，HS合金在℃试验条件下表面均形成了致密坚韧不易脱落的Al2O3和Cr2O3氧化膜，因此其具有优异的高温抗氧化性能。
2.3Cr和Al元素及其含量对合金高温抗氧化性影响讨论
合金中加入Cr除了固溶强化外，还能加强基体的高温抗氧化性。在高温下Cr与氧反应生成Cr2O3。Cr2O3是菱方晶系结构，热稳定性较高，不易分解，一定量的Cr能形成连续致密的Cr2O3氧化膜，阻止外部氧的进一步侵入，对内部基体组织具有较强的保护性。如果高温下晶界富铬碳化物的形成，消耗大量的铬原子，造成晶粒周界Cr含量的显著降低，不足以形成连续致密的Cr2O3护膜，致使合金达不到应有抗氧化能力，因此应提高Cr含量，避免高温下晶界贫铬，可大大增强合金高温抗氧化能力。即合金高温抗氧化性能随Cr含量增加而提高。
Al的抗氧化性依赖于高温下合金表面Al与氧生成的Al2O3。氧化膜。Al2O3。具有Cr2O3相同的菱方晶系结构，但热稳定性高于Cr2O3，熔点达到℃，在℃一℃高温下，Al2O3氧化膜仍组织致密，成分稳定，不分解产生挥发。但Al2O3氧化膜与基体的结合力不如Cr2O3氧化膜，抗剥落性不好，Al2O3需要依附于Cr2O3氧化膜上来提高合金的抗氧化性。
文献嘲的研究结果显示，相同Cr含量的合金，Al2O3含量高的合金抗氧化性明显优于Al元素含量低的合金。另外，Al2O3达到一定含量时，Al2O3才能够对Cr2O3氧化膜起到良好的复合保护作用，其抗氧化性影响趋于稳定。即合金高温抗氧化性能随Al含量增加而提高。
由分析可知，合金中Cr元素和Al元素含量增加会提高合金高温抗氧化性。刷丝合金要求其高温强度及高温抗氧化性能应良好匹配，而Cr和Al2O3元素含量提高可能会出现不利于合金力学性能的析出相，因此，如何进行合理的Cr元素和Al2O3元素含量设计来获得优异的高温力学性能与高温抗氧化性能，同时开发适用于更高工作温度下的国产新型刷丝合金的研究工作至关重要。目前该部分研究工作已经取得了很大的成果。
3结论
（1）HS合金在℃下h内的平均氧化速度为0.g/m^2·h，满足GB/T-氧化增重法完全抗氧化级别评定标准：氧化速度K+＜0.1g/m^2·h，表现为完全抗氧化性。
（2）HS合金在℃下不同保温时间下的氧化膜厚度在63-μm，氧化膜的厚度是随着氧化时间的延长而增厚。在试样氧化后的ｘ射线衍射谱中，都出现了Al2O3和Cr2o3的衍射峰，合金主要的氧化产物为Al2O3和Cr2O3。
（3）HS合金在℃下不同保温时间下的氧化膜从外到内，Al含量逐渐降低，Cr含量升高。其中最外层Al含量在50％以上，氧化膜最外层Al2O3为主要成分，随着深入，Cr2O3所占比重逐渐加大。
