基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

杨艺潇 孙丹 兰可心 赵欢 冯毓钟 张杰一

摘要：刷絲与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论，设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置，设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘，实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响，通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量，获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明：刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定，随着干涉量的增大而升高，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷丝平均最高温升达39.96 ℃；最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高，随着后挡板保护高度的增大而降低；当刷丝材料为钴基高温合金GH605时，最佳转子涂层材料为WC，当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时，最佳转子涂层材料为ZrO2，此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量，且耐磨性能高于其他匹配材料。

关键词：刷式密封；摩擦热效应；摩擦副；匹配性；干涉量

中图分类号：V233.5

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.04.007

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Experimental Study of Matching of Brush Seal Friction Pairs Based on

Frictional Heating Effects

YANG Yixiao1  SUN Dan1  LAN Kexin1  ZHAO Huan1  FENG Yuzhong2  ZHANG Jieyi3，4

1.Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System，School of

Aero-Engine，Shenyang Aerospace University，Shenyang，110136

2.AECC Guizhou Liyang Aviation Power Company Limited，Guiyang，550081

3.Shenyang Engine Research Institute，Aero Engine Corporation of China，Shenyang，110015

4.Key Laboratory for Power Transmission of Aero Engine，Aero Engine Corporation of China，

Shenyang，110115

Abstract： The frictional heating effects caused by the interaction between brush seal wire and rotor coating directly affected the sealing performance and service life of brush seals. The theory of frictional heating effects between brush seal frictional pairs was analyzed. The experimental device of frictional heating effects between brush seal frictional pairs was designed and built. Six brush seal experimental parts with different structural parameters and brush wire materials and four frictional turntables with different coating materials were designed and processed. The effects of working condition parameters， structural parameters and different frictional pair materials on the frictional heating effects of brush seals were studied experimentally. By comparing and analyzing the maximum temperature of brush seals and the wear morphology and wear amount of frictional pairs before and after wear， the matching relationship between brush wire and rotor coating material was obtained. The results show that the maximum temperature of brush seals increases rapidly and then tends to be stable with the increase of friction time， and increases with the increase of interference. When the interference increases from 0.3 mm to 0.4 mm， the average maximum temperature of brush wires rises to 39.96 ℃. The maximum temperature increases with the increase of the brush thickness and decreases with the increase

收稿日期：20230610

基金项目：国家自然科学基金（52075346，52375195）；辽宁省教育厅面上项目（LJKZ0179）

of the rear baffle protection height. When the brush wire material is cobaltbased superalloy GH605， the best rotor coating material is WC; when the brush wire material is nickelbased superalloy GH4169， the best rotor coating material is ZrO2.These two matching materials may produce lower friction heat under the same working conditions， and the wear resistance is higher than that of other matching materials.

Key words： brush seal; frictional heating effect; friction pair; matching; interference

0  引言

先进的密封技术已广泛应用于航空发动机等透平机械中［1-3］，其中刷式密封作为一种具有优良密封性能的接触式动密封，其泄漏量为迷宫密封的1/10～1/5［4］。为了保证刷式密封有较好的封严性能，一般刷丝束与转子之间都是过盈安装，为减少刷丝与转子的磨损，在转子跑道表面设置一定厚度的耐磨涂层，以延长其使用寿命。实际应用发现，刷式密封刷丝与转子涂层相互摩擦产生的摩擦热效应直接影响其封严性能和使用寿命［5］，因此，开展基于摩擦热效应的刷式密封刷丝与涂层材料摩擦副匹配性实验研究具有重要的学术意义与工程应用价值。

密封摩擦副材料的选择着重考虑材料的物理性质与力学性能，如材料的热导率、热膨胀系数等。研究表明，摩擦热效应会使摩擦副间产生温度梯度，从而引起刷丝与涂层材料热变形，进而加剧摩擦副的磨损，引发密封失效［6-7］。国内外学者对刷式密封刷丝与转子涂层材料摩擦磨损特性进行了大量的实验研究，发现刷丝材料应具有高强度、高熔点、高抗氧化性和低摩擦因数等属性［8］，目前适于作刷丝材料的有钴基高温合金以及镍基高温合金。FELLENSTEIN等［9-12］设计搭建了一种利用一簇刷丝与转子涂层进行摩擦的实验装置，用于检测刷式密封摩擦学特性，同时对比分析了不同刷丝材料与涂层之间摩擦磨损的结果，分析得出，在涂层材料中加入固体润滑剂可以减小刷式密封在工作过程中对刷丝的磨损。ATKINSON等［7］通过大量长期试验发现，适用于刷丝的材料有钴基合金和镍基合金两类，适用于转子表面涂层的材料有铬基合金、钨基合金、Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷，对比试验研究发现，摩擦副的密封性能受温度的影响很大。DERBY等［13］通过实验研究了多种刷丝材料与转子涂层材料间摩擦磨损特性，发现选择合适的摩擦副材料可以减少摩擦总热量和降低转子在发生径向偏移下的温升，有利于提高刷式密封的性能。何立东等［14］和刘笑笑等［15］对现有刷丝与转子间摩擦副的材料进行了总结，指出适合作为刷丝的材料有钴基或镍基合金，适合作为转子涂层材料有镍基合金、Al2O3、ZrO2及某些陶瓷材料。李理科等［16］对刷式密封温度场进行了研究，发现刷丝端部长期处于高温状态，加速了刷丝氧化，缩短了其使用寿命，提出在刷式密封的设计中应着重考虑选择合适的摩擦副材料。孙丹等［17］对刷式密封传热机理开展了研究，发现摩擦热是影响刷式密封温度分布的主要因素。牛少鹏［18］对转子涂层结构进行了优化设计，研究了刷丝与涂层之间摩擦磨损性能。徐乙人等［5］利用高速试验机研究刷丝与转子涂层之间的摩擦磨损行为，发现刷丝和转子涂层之间高速摩擦产生大量的摩擦热，使得刷丝尖端出现焊接黏连及氧化现象，降低了刷丝的耐磨性。综上所述，刷丝与转子涂层之间的摩擦热效应是影响刷式密封摩擦副匹配性的重要因素。

國内外学者采用热电偶、红外热成像仪等多种测量装置对刷式密封摩擦热效应进行了实验研究。HENDRICKS等［19］首先开展了刷式密封摩擦热效应的研究，并提出了摩擦热量可以由刷丝与转子之间的法向接触力、摩擦因数和相对速度计算得出。RABEN等［20］采用热电偶测量方法测量刷丝与转子接触表面的温度分布，得到了温度随刷式密封运行时间的变化曲线。PFEFFERLE等［21］将热电偶安装在转盘上，测量了转子表面的温度分布。DEMIROGLU等［22］和FLOUROS等［23］利用红外线温度测试仪和热成像仪测量得出刷丝与转子间的温度分布情况。DEVILLE等［24］通过实验获得了过盈配合下刷丝束及转子表面的温度分布，发现高温分布区主要集中于刷丝束顶部。RUGGIERO［25］利用一种光纤传感器测量了刷丝束内部的温度和应变。黄首清［26］提出了一种用纤维热电偶测量刷丝尖端与转子表面摩擦区域温度分布的测量方法。吴施志等［27］对刷式密封装置开展了全工况条件下摩擦生热实验研究，得到不同压差和不同转速下刷式密封最高温度分布规律，同时引入了刚度修正系数Ck，提高了工程计算精度。孙丹等［28］设计搭建了基于柱面圆周摩擦形式的刷式密封摩擦热效应实验装置，并利用红外热成像仪监测不同工况下刷式密封摩擦热效应热成像图。综上所述，目前国内外学者已对刷式密封温度分布开展了较多研究，但对刷式密封刷丝与涂层间摩擦热效应研究较少。

本文分析刷式密封摩擦副的摩擦热效应理论，设计搭建刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置，应用热成像仪实验测试刷式密封摩擦副温度分布特性，研究干涉量、转速、刷丝束厚度以及后挡板保护高度对刷式密封摩擦热效应的影响，探究刷丝与转子涂层材料摩擦副匹配性关系。

1  刷式密封摩擦热效应理论分析

1.1  刷式密封摩擦热传递过程

在转子高速转动的过程中，转子与刷丝束间存在较大的相对速度，刷丝束与转子涂层间的摩擦会产生大量的热，形成一个高温热源，高温热源将会通过热传导的形式将热量传递给刷丝以及转子，使刷丝的力学性能降低，同时也会影响涂层材料与基体材料之间的结合。图1为刷式密封摩擦热传递过程示意图，可以看出，刷式密封摩擦副摩擦产生的热量会以导热的形式传递至刷丝与涂层表面，一部分热量会沿着刷丝自由端传递至刷丝顶端焊接部位，一部分则会通过涂层材料导入转子内部，并从转子内部将热量传递至远端。在泄漏气流的作用下，摩擦热量與气流之间存在对流换热的过程，同时在刷丝束与前后挡板间也存在着复杂的对流换热过程。

1.2  刷丝与转子间接触力理论分析

刷式密封为周向旋转对称结构，每根刷丝的结构均相同，通常在不考虑气动力引起的刷丝变形和刷丝之间相互作用的前提下将刷丝近似为悬臂梁［22］，典型刷丝受力分析如图2所示。图2中，yd为刷丝端部挠度；α为刷丝倾角；δr为刷丝束与转子配合过盈量，即刷丝法向变形量；Fn为刷丝束法向接触力；Ff为刷丝束摩擦力。

根据图2中几何关系可得单根刷丝的法向接触力为［22］

Fn=3π64Ed4L3sin2αδr（1）

单根刷丝刚度为

kr=Fnδr=3π64Ed4L3sin2α（2）

式中，E为刷丝材料的弹性模量；d为刷丝直径；L为刷丝自由长度。

因此，具有一定厚度的刷丝束整体刚度为

Kr=Nkr（3）

式中，N为刷丝总根数。

1.3  刷式密封摩擦热量计算

依据摩擦力做功的原理，可以得到在转子转动过程中刷丝与转子涂层间的摩擦热量Q，已知刷丝与转子涂层之间的接触面积，可以获得刷丝与转子涂层之间摩擦热流量［18］ ：

q=QA=μFnvA=γfμKrδrvA（4）

式中，μ为摩擦因数；v为转子表面线速度；μKrδr为由过盈配合引起作用在接触表面的周向摩擦力；γf为摩擦力做功转换为摩擦热的比率；A为刷丝束与转子接触面积。

2  刷式密封摩擦热效应实验

2.1  实验装置

本文设计搭建的刷式密封摩擦热效应实验装置如图3所示。该实验装置以一矩形铸铁方箱为基础构建，竖直放置于水平实验台上，动力由一台伺服电机提供，最大转速为5000 r/min。伺服电机通过扭矩传感器（量程范围为0～20 N·m）与主轴连接，扭矩传感器的作用是测量实验过程中刷丝与摩擦转盘间的摩擦力扭矩。主轴顶端是一最小直径为360 mm的摩擦转盘，表面设置有不同直径的阶梯，提供刷式密封实验件所需的不同干涉量。刷式密封实验件通过一带有特制凹槽的夹具安装在三向可调刷式密封安装座上，该安装座包括两个拉压力传感器（量程范围为0～50 kg），用于测量刷式密封实验件刷丝与摩擦转盘间的接触力合力和摩擦力合力。利用相机架将红外热成像仪固定在阶梯盘的正上方，通过调定焦距、范围等参数监测不同工况下的刷式密封摩擦热效应热成像图。红外热像仪可实时采集刷式密封摩擦磨损过程中的热成像，将在不同时刻、不同干涉量下的刷丝温度记录并保存，在电脑中可对保存数据进行后处理。

图4为刷式密封摩擦热效应实验装置示意图。刷式密封实验件安装在密封实验件夹具上，而刷式密封夹具又安装在三向可调刷式密封安装座上，如图5所示。该安装座可使刷式密封实验件的位置在X、Y、Z三个方向上进行调节。实验时，首先通过密封实验件夹具将刷式密封实验件固定，之后通过调节轴向滑座、径向滑杆、切向滑杆使得刷式密封实验件可以与阶梯盘的不同阶梯相接触，进而使刷式密封实验件与阶梯盘间产生实验所需的不同干涉量，最后启动伺服电机，记录扭矩传感器和两个拉压力传感器的实验数据。

2.2  摩擦副实验件设计

图6所示为本文刷式密封实验件主要结构形式，主要有基本型、减小刷丝束厚度型、提高后挡板保护高度型。

表1所示为实验件结构参数，不同型号实验件主要参数如表2所示。减小刷丝束厚度型与基本型的主要区别在于刷丝束厚度，分别减少0.2 mm与0.4 mm；提高后挡板保护高度型与基本型的主要区别在于后挡板保护高度，分别提高0.3 mm与1.0 mm。

图7给出了4种涂层材料的摩擦转盘，涂层材料分别为碳化钨（WC）、氧化锆（ZrO2）、氧化铬（Cr2O3）、氧化铝（Al2O3）。刷式密封实验件共加工了两种刷丝材料，分别为钴基高温合金GH605与镍基高温合金GH4169。基于4种涂层材料与两种刷丝材料，开展基于摩擦热效应的摩擦副匹配性实验研究。

2.3  实验方案

本文开展的基于摩擦热效应刷式密封摩擦副匹配性研究实验方案如图8所示。刷式密封工况参数（摩擦时长和干涉量）与结构参数（刷丝厚度和后挡板保护高度）是直接影响刷式密封摩擦热效应的主要因素，摩擦副匹配性主要是通过选择合适的刷丝材料与转子涂层材料来减少摩擦生热，减少摩擦热效应对摩擦副的影响，提高刷式密封的性能［13］，而摩擦热效应则是评价摩擦副匹配性的重要因素。摩擦热效应体现在刷式密封工作过程中的温度分布，因此本文通过研究刷式密封的摩擦温升以及最高温度来分析摩擦热效应的影响。

为研究刷式密封摩擦副匹配性对摩擦热效应的影响，增强实验效果，首先研究刷式密封工况参数与结构参数对摩擦热效应的影响，选取一组摩擦热效应效果明显的刷式密封实验件在特定的工况参数下进行实验。

3  结果与讨论

3.1  工况参数对摩擦热效应的影响分析

3.1.1  干涉量对摩擦热效应的影响

在转速为2000 r/min，干涉量分别为0.4 mm与0.3 mm的条件下，镍基合金材料GH4169与ZrO2涂层材料对摩2 h的刷式密封最高温度随摩擦时长的变化如图9所示。在前120 s，0.4 mm干涉量密封的平均温升速率高于0.3 mm干涉量密封，分别为0.633 ℃/s、0.445 ℃/s；超过120 s后，0.3 mm干涉量密封温度达到最大值，而0.4 mm干涉量密封温度继续升高，但平均温升速率降低为0.207 ℃/s，降低了67.14%；当最高温度达到稳定后，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷丝平均最高温升达39.96 ℃。这是由于随着干涉量的增大，刷丝与转子涂层间的接触力增大，刷丝与涂层间磨损加剧。

图10为不同干涉量下刷丝尖端磨损形貌图，两个实验件在经过1 h的磨损后，干涉量为0.3 mm的刷式密封实验件刷丝尖端一部分剧烈磨损成亮银色，其余部分仍保持最初的深色状态，刷丝部分磨损；干涉量为0.4 mm的刷式密封实验件刷丝尖端绝大部分已经被剧烈磨损成亮银色，刷丝严重磨损。因此，干涉量增大，刷丝与转子涂层间接触力增大，温度和磨损量均会增加。

3.1.2  摩擦时长对摩擦热效应的影响

刷式密封温度热成像图见图11，可以发现，刷式密封最高温度主要集中于刷丝尖端，随着摩擦时长的增加，摩擦热量不断向转子和刷丝固定端导热与辐射换热。

由图9黑色曲线（干涉量0.4 mm）可以看出，在0～270 s里，刷式密封温升速率特别快，随着转速从0逐步提高至2000 r/min，转子涂层表面的线速度逐渐加大，导致刷丝与转子涂层之间产生的摩擦热量增多，引起了摩擦副间温度迅速升高，温升速率明显增大；在270～4230 s里，温度逐渐升高，最高温度达到了131.51 ℃。在摩擦初期，刷丝与转子涂层摩擦副间摩损剧烈，随着摩擦时间的增长，摩擦热量不断累积，摩擦热量生成的速率大于其耗散的速率，致使温度逐渐升高。刷式密封摩擦副在4230～7200 s内温度曲线平缓，先缓慢降低最终趋于稳定。刷丝自由端与转子涂层材料在前段摩擦时长中已被大量磨损，从而导致刷丝与转子涂层间接触力减小，摩擦热量也随之减小，温度逐渐降低。在5400 s之后，温度稳定在118.21 ℃左右，可以推断出此时刷丝自由端与转子涂层之间磨损量较小，温升曲线图变化趋于穩定。

3.2  结构参数对摩擦热效应的影响分析

3.2.1  刷丝束厚度对摩擦热效应的影响

在转速为2000 r/min，干涉量为0.4 mm，镍基合金材料GH4169与ZrO2涂层材料配合下，不同刷丝束厚度的刷式密封最高温度随摩擦时长的变化如图12所示。在前300 s，1.2 mm刷丝束厚度密封平均温升速率高于1.0 mm与0.8 mm刷丝束厚度密封平均温升速率，分别为0.395 ℃/s、0.303 ℃/s、0.262 ℃/s。当温度趋于稳定后，发现刷丝束厚度越大，刷式密封达到的最高温度越高。这是因为刷丝束厚度越大，刷丝与转子涂层的接触面积越大，从而提高了摩擦热量生成的速率，使温度升高；另外，刷丝束越厚，刷丝之间的相互作用力越大，从而增大了刷丝束的刚度，进而增大了刷丝与转子间的法向接触力，使摩擦力增大，摩擦热量增加，温度升高。

3.2.2  后挡板保护高度对摩擦热效应的影响

在转速为2000 r/min，干涉量为0.4 mm，镍基合金材料GH4169与ZrO2涂层材料配合下，不同后挡板保护高度的刷式密封最高温度随摩擦时长的变化如图13所示。三种不同后挡板保护高度的密封最高温度随着摩擦时长的变化趋势近似相同，不同之处在于，随着后挡板保护高度的减小，刷式密封达到的最高温度越高，达到最高温度所需要的时间越长。同时发现，后挡板保护高度越高，刷式密封的最高温度越低。一是因为后挡板保护高度越高，刷丝裸露的面积越大，转子转动引起的气流与刷丝自由端摩擦产生的热源之间进行了对流换热，带走的热量越多，热量在刷丝束内部的积累越少，引起了温度的降低；二是由于滞后效应的存在，后挡板与后排刷丝接触存在摩擦力，导致刷丝在转子转动的过程中不能及时闭合，产生微小间隙，从而减小了刷丝自由端与转子涂层材料之间的接触力，使温度降低。在同一转速下，后挡板保护高度的越高，刷丝自由端与转子涂层之间的切向位移越大，刷丝自由端与转子涂层之间的接触力越小，产生的摩擦热越小，温度降低。

通过上述研究发现，刷式密封干涉量越大，刷丝束厚度越大，后挡板保护高度越低，刷式密封摩擦热效应越强。为增强实验效果，刷式密封摩擦副匹配性实验选择干涉量为0.4 mm，刷丝束厚度为1.2 mm，后挡板保护高度为1.5 mm的BS01实验件进行实验。

3.3  刷式密封摩擦副匹配性分析

在干涉量为0.4 mm，转速为2000 r/min，实验摩擦时长为1 h的条件下，镍基刷丝（GH4169）和钴基刷丝（GH605）分别与碳化钨（WC）、氧化锆（ZrO2）、氧化铬（Cr2O3）、氧化铝（Al2O3）4种涂层的摩擦转盘进行配合，利用红外热成像仪监测刷式密封最高温度，使用高清摄像机拍摄实验件磨损前后表面形貌图，并利用高精度电子天平称量刷式密封磨损前后的实验件质量。

3.3.1  钴基刷丝与不同涂层材料匹配性分析

钴基刷丝GH605与不同涂层材料的摩擦转盘配合的摩擦温度变化如图14所示，磨损前后实验件质量如表3所示，磨损前后形貌如图15所示。由图14可以看出，与Al2O3涂层配合下的最高温度在0～900 s内为最低，与ZrO2涂层配合下的最高温度最高。随着摩擦时长的增大，刷丝与涂层发生磨损，磨损速率较快，温度下降速度较快。而与Cr2O3涂层配合时，摩擦副持续高温时间较长，在1800s后温度下降速度较快。且由表3发现，与ZrO2涂层配合的实验件磨损前后质量增加了0.0332%，而与Cr2O3涂层配合的实验件磨损前后质量仅减少0.0028%。磨损后ZrO2材料表面存在较深的划痕，如图15所示，证明钴基刷丝与Cr2O3配合时耐磨性能高于ZrO2材料。而在与Al2O3和WC涂层材料配合时，在同时刻下的温度低于ZrO2材料、Cr2O3材料，且在1200s后，温度变化不大，温度持续时间长，证明钴基刷丝与WC涂层材料、Al2O3涂层材料配合的耐磨性能高于另外两种涂层材料，因此应优先选择Al2O3涂层材料、WC涂层材料与钴基刷丝配合。

钴基刷丝与Al2O3涂层材料配合时，在0～800s中的最高温度低于WC涂层材料；在800 s后，Al2O3涂层材料温度则升高，而WC涂层材料温度有较小降低，变化速率低于Al2O3涂层材料，摩擦温度持续稳定在某一值附近，且在1200～3200 s内温度下降速度较低。与WC涂层配合的实验件磨损前后质量增加了0.0045%，而与Al2O3涂层配合的实验件磨损前后质量减少0.0083%，证明WC涂层材料在相同工况条件下与钴基刷丝配合时的耐磨性能以及稳定性高于Al2O3材料，因此当刷丝材料选用钴基高温合金材料时，选择WC材料作为涂层材料是最佳方案。

在刷丝尖端与涂层磨损的过程中，二者之间的磨损类型主要为黏着磨损［14，29］。刷丝尖端与涂层接触表面微观上是凹凸不平的，硬度低的材料会随着黏结点破坏转移到硬度高的材料上。刷丝与涂层材料发生黏着磨损后，造成刷式密封实验件质量变化的原因有两点：一是刷丝尖端与转子涂层表面发生摩擦磨损，刷丝尖端产生磨损量，导致刷式密封件质量减小；二是刷式密封摩擦副不同材料硬度存在差异，而硬度低的材料会随着黏结点破坏转移至硬度高的材料上。在磨损量与转移量的共同作用下，刷式密封实验件发生质量变化。

钴基刷丝与WC、ZrO2涂层磨损后，实验件质量增加，产生此现象的原因有：获取不同刷丝材料与转子涂层材料的洛氏硬度值［30］，钴基刷丝材料硬度为50，高于WC以及ZrO2材料硬度，根据Archard黏着磨损原理，硬度更低的WC与ZrO2材料随着黏结点破坏转移到硬度更高的钴基刷丝材料上，使得转子涂层材料转移量大于刷丝磨损量，因此出现正值磨损量。

3.3.2  镍基刷丝与不同涂层材料匹配性分析

镍基刷丝GH4169与不同涂层材料的摩擦转盘配合的摩擦温度变化如图16所示，磨损前后实验件质量如表4所示，磨损前后形貌如图17所示。镍基刷丝与Al2O3涂层配合下最高温度在0～1650 s为最低，温度最高为Cr2O3涂层材料。

随着摩擦时长的增大，刷丝与转子涂层发生磨损，与Cr2O3涂层材料、WC涂层材料配合的最高温度在1650～3600 s中低于ZrO2涂层材料、Al2O3涂层材料，证明镍基刷丝与Cr2O3涂层材料、WC涂层材料配合下的耐磨性能低于ZrO2涂层材料与Al2O3涂层材料，且0～1650 s内的最高温度高于ZrO2涂层材料与Al2O3涂层材料。因此应该将镍基刷丝-Al2O3涂层材料、镍基刷丝-ZrO2涂层材料作为刷式密封摩擦副匹配性的优先选择。

镍基刷丝与Al2O3涂层材料配合时，在0～1650s内最高温度低于ZrO2涂层材料，在1650～3000 s时，二者温度相差不大，3000～3600 s内，ZrO2涂层材料摩擦温度显著低于Al2O3涂层材料。由表4可知，与ZrO2涂层材料配合的实验件磨损前后质量减小了0.0685%，与Cr2O3涂层材料配合的实验件磨损前后质量减小0.0281%，磨损后Cr2O3涂层表面颜色变为深黑色，且存在较深的沟壑，如图17所示。证明镍基刷丝与ZrO2涂层配合时的耐磨性能优于Cr2O3涂层材料，因此最佳匹配性材料为镍基刷丝-ZrO2涂层材料，该匹配材料能够在相同工况条件下产生较低的摩擦热量，温升效果低于其他相匹配的材料，且耐磨性能高于其他相匹配的材料。

镍基刷丝与4种涂层磨损后，实验件质量均减小，产生此现象的原因有：镍基刷丝材料硬度为45，低于4种涂层材料硬度，根据Archard黏着磨损原理，硬度更低的镍基刷丝随着黏结点破坏转移到硬度更高的涂层材料上，刷丝材料转移量与磨损量共同作用下，使得最终磨损量均为负值。

4  结论

（1）刷式密封摩擦时的最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高，随后由于刷丝自由端与转子涂层材料的磨损，温度降低并趋于稳定。

（2）刷式密封的最高温度会随着干涉量的增大而升高，在本文工况下，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷丝平均最高温升达39.96 ℃。

（3）刷式密封的最高温度会随着刷丝厚度的增大而增大，随着后挡板保护高度的增大而减小。

（4）钴基刷丝与WC涂层材料在钴基高温合金与4种涂层材料中匹配性最好；镍基刷丝与ZrO2涂层材料在镍基高温合金与4种涂层材料中匹配性最好。在同一工况下，两者在摩擦过程中产生较低的摩擦热量，温升效果低于其他匹配性材料，耐磨性能优于其他匹配性材料。

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（编辑  袁兴玲）

作者简介：

杨艺潇，男，1999年生，硕士研究生。研究方向为刷式密封摩擦磨损特性。E-mail：sau_yixiao_yang@163.com。

孙  丹（通信作者），男，1981年生，教授、博士研究生导师。研究方向为航空发动机先进密封技术。E-mail：phd_sundan@163.com。