激光表面碳化硅的摩擦性能
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本文作者：纪敬虎 符永宏 王祖权 华希俊 符昊 单位：江苏大学机械工程学院
表面织构化技术通过改变表面的几何形貌，可以显著提高表面摩擦学性能［1－2］．表面织构化机械密封主要在密封面开槽或加工微凹坑，在密封面间产生流体静压或动压效应，从而提高承载能力，延长使用寿命［3］．20世纪90年代后期，Etsion等［4］利用激光技术在机械密封的密封面加工具有规则凹坑形状的微织构，形成了激光表面微凹坑织构化机械密封技术．激光表面微凹坑织构技术能显著改善机械密封端面的状况，提高承载能力，降低密封端面的温升，减小摩擦系数，从而提高了密封性能［5－7］．但是，当密封介质压力增大到一定程度时，微凹坑内的空化现象完全被静压效应抑制或只在一小部分的微凹坑上产生，从而削弱了流体动压效应，激光表面微凹坑织构化机械密封就类似于无织构机械密封［3，8］．螺旋槽机械密封的作用机理类似于雷列台阶轴承，利用螺旋槽产生的流体动压力来平衡闭合力，以实现密封端面的非接触．同时，螺旋槽的上游泵送效应可以将密封低压侧的流体泵送至高压侧，理论上可以实现零泄漏［9－10］．符永宏等［11］提出了一种新型激光表面跨尺度织构机械密封(crossingdimensionslasersurfacetex-turedmechanicalseal，CT－MS)，即在机械密封端面设置宏观上游泵送槽织构，同时在密封堰和密封坝区设置微凹坑织构，上游泵送织构和微凹坑织构产生的流体动压效应相互耦合，增强了机械密封端面间的流体动压效应，从而有效提高了机械密封的密封性能;并利用“单脉冲同点间隔多次”激光表面织构技术加工微凹坑织构和宏观泵送槽织构机械密封，解决了机械密封端面跨尺度织构加工难题，并对激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦性能做了初步研究［12］．文中对激光表面跨尺度织构机械密封在变密封介质压力和转速工况下进行摩擦学性能试验，进一步研究密封介质压力和转速对激光表面跨尺度织构机械密封摩擦特性的影响，并与无织构机械密封进行比较．
1试验
1.1试样的激光表面加工试验采用设备为二极管泵浦Nd:YAG激光加工系统，激光光束模式为TEM00，腔外带有望远镜扩束装置，有较强的聚焦能力．腔外装有倍频晶体，输出波长为532nm．采用声光调Q技术控制产生脉冲激光，调Q重复频率为1～50kHz，光束质量系数M2＜2，发散角小于0.003rad．试样为内径ri=25.68mm，外径ro=32.60mm的机械密封，动环的材料为SiC，静环的材料为石墨，其表面粗糙度均为0.04μm．利用“单脉冲同点间隔多次”激光加工工艺在动环端面制备微凹坑织构和宏观泵送槽织构［11］，如图1，2所示．用Wyko－NT1100表面形貌三维测量仪测量激光表面跨尺度织构机械密封，图3所示为跨尺度织构的二维和三维几何形貌．微凹坑织构的半径大小由激光的功率密度和脉冲宽度决定，深度大小由激光的功率密度、脉冲宽度和重复次数决定;泵送槽织构的深度由激光的功率密度、脉冲宽度、扫描速度和重复频率决定．激光表面织构技术是利用聚焦后的激光束，具有较高的能量密度，瞬间汽化去除材料，因此在跨尺度织构周围区域残留一些熔渣．试样表面经过抛光处理，去除激光表面织构产生的熔渣后，微凹坑直径大小约为40μm，凹坑深度约为8μm，凹坑密度为13%．泵送槽采用对数螺旋线，内径开槽，螺旋角α=17.8o，槽堰宽度比γ=1∶1，槽径比β=0.7，槽数Ng=18，槽深约为6μm．
1.2试验方法机械密封试验装置［13］如图4所示．端面比载荷是采用静环后面安装的力传感器测量力并进行计算得到的，通过移动拖板位置可以调节端面比载荷大小，调节范围为0～2MPa;试验介质压力可以在0～1MPa之间变化，由介质压力传感器测量;转速传感器可以测量装置在0～3000r/min范围内的转速;端面摩擦转矩由精度为0.5%的JDN－25转矩传感器测得;试样公称尺寸范围为50～90mm．系统设有稳压罐和冷却循环装置．试验密封介质为清水，密封腔内的密封介质压力的加载通过介质增压及循环装置来实现，试验加载压力范围为0.2～0.8MPa，电动机的转速范围为1500～2900r/min，弹簧的预紧力为50N，即弹簧压力为0.0395MPa．具体试验过程:首先机械密封试样环在空载和转速为1500r/min时进行跑合，然后分别在不同转速和介质压力的工况下进行试验，每组工况参数下运行30min，以30min内摩擦转矩的平均值来评价该组工况参数下的摩擦情况．
2试验结果与讨论
图5示出了转速n=1500r/min时，密封腔介质压力对激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封(untexturedmechanicalseal，UN－MS)摩擦转矩的影响，密封介质压力变化范围为0.2～0.8MPa．由图可知，随着密封介质压力的增大，激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封的摩擦转矩增大．在试验范围内，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩小于无织构机械密封，说明了激光表面跨尺度织构机械密封能显著改善机械密封的和摩擦特性．这主要是因为在上游泵送微凹槽织构与微凹坑织构上及其所产生的流体动压效应，从而使激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩始终小于无织构机械密封．当密封介质压力为0.2MPa时，激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封的摩擦转矩分别约为0.593N•m和1.738N•m，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩为无织构机械密封的31%;当密封腔压力为0.8MPa时，激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封的摩擦转矩分别约为1.643N•m和2.379N•m，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩为无织构机械密封的69%．由此可知，在低压低速工况下，激光表面跨尺度织构可以显著改善机械密封的与摩擦性能．图6示出了转速n=2900r/min时，密封腔介质压力对激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封摩擦转矩的影响．由图可知，两者的摩擦转矩随密封介质压力的变化规律与转速n=1500r/min时基本一致．但是，密封介质压力较小时，介质压力对激光表面跨尺度织构机械密封摩擦转矩的影响较小;密封介质压力较大时，介质压力对激光表面跨尺度织构机械密封摩擦转矩的影响较大．例如当密封介质压力分别为0.2，0.5，0.8MPa时，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩分别为0.838，0.979，1.527N•m，而无织构机械密封的摩擦转矩为1.681，2.132，2.358N•m．当密封介质压力分别为0.2，0.5MPa时，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩为无织构机械密封的2倍多;当密封介质压力为0.8MPa时，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩为无织构机械密封时的1.5倍．由此可知，在高压高速的工况下，激光表面跨尺度织构同样可以显著改善机械密封的与摩擦性能．图7示出了密封介质压力为0.2MPa时，转速对激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封摩擦转矩的影响，转速的变化范围为1500～2900r/min．由图可知，在整个转速变化范围内，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦扭矩始终远远小于无织构机械密封的，转速对两者的摩擦转矩影响较小．例如当转速n=1500r/min时，激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封的平均摩擦转矩分别为0.593N•m和1.738N•m;当转速n=2900r/min时，激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封的平均摩擦转矩分别为0.837N•m和1.681N•m．由此可见，在整个转速变化范围内，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩至少比无织构机械密封减小了一半．图8示出了密封介质压力为0.8MPa时，转速对激光表面跨尺度织构机械密封和无织构机械密封摩擦转矩的影响．由图可知，转速对激光表面跨尺度织构机械密封摩擦转矩的影响较小，而对无织构机械密封摩擦转矩的影响较大．随着转速增大，无织构机械密封的摩擦转矩先减小后增大，当转速约为2300r/min时，摩擦转矩达到最小值．这是因为密封环端面间的流体动压效应随着转速的增大而增大;然而当转速过大时导致端面间产生的热量增加，从而使摩擦转矩增大．例如当转速分别为n=1500，2300r/min时，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩分别为1.642N•m和1.563N•m，无织构机械密封的摩擦转矩分别为2.379N•m和1.792N•m．由此可见，激光表面跨尺度织构机械密封能够使机械密封运转更平稳．
3结论
1)试验证明了激光表面跨尺度织构机械密封能显著改善机械密封的和摩擦特性，且受密封介质压力和转速的影响较小．2)与无织构机械密封相比，激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩最大可减小65%．3)无论是在低压低速，还是在高压高速的工况下，激光表面跨尺度织构均可以显著改善机械密封的与摩擦性能，具有广泛的适用性和广阔的应用前景．