球錐面加注管陶瓷噴涂工藝研究

摘 要：加注管工作中會因產生較大的磨損而導致推進液的泄露，可采用陶瓷噴涂技術對其表面進行噴涂。本文根據加注管的結構以及工作環境的要求，合理選擇陶瓷涂層材料以及噴涂方法，闡述了陶瓷噴涂工藝以及注意事項，分析了影響陶瓷涂層耐磨性的工藝因素，為加注管的設計奠定了理論基礎。

關鍵詞：加注管；陶瓷噴涂工藝；耐磨性

1 引 言

推進劑加注是火箭發射前的重要工作，而加注管是加注推進劑的關鍵零件，保證多次加注推進劑后仍對推進液體具有較好的密封作用，是加注管設計的首要問題。由于加注管工作時對期自身的強度、密封性、耐磨性的要求極高，而純金屬材料的耐磨性難以達到要求，通過在金屬材料表面制備陶瓷涂層，能夠較好地解決此問題。

陶瓷噴涂技術是將具有高強度、耐磨損、耐腐蝕性和耐高溫的陶瓷材料噴涂到金屬或者合金材料的表面，使它與基體材料牢固結合。綜合陶瓷材料耐磨性、耐腐蝕和高溫穩定性與金屬材料高強韌性、可加工性、導電導熱性的優勢，滿足加注管產品對結構性能（強度，韌性等）和環境性能（耐磨、耐腐蝕、耐高溫等）的使用要求。

本文在合理選擇陶瓷噴涂材料以及加工工藝的前提下，探討了球錐面加注管陶瓷涂層的設計方案以及注意事項，分析了陶瓷涂層耐磨性的影響因素，為加注管的合理設計提供了一定的理論依據。

2 加注管陶瓷涂層材料及工藝分析

2.1加注管選取

加注管工作溫度在50～150℃范圍內，溫差較大；其球錐面接觸時所受的力在9.8～19.6kN范圍，極限應力較高；內部流動的是推進液體，壓強為2MPa，對液體的密封性能要求嚴格；補給一次推進液約需2h，需工作200次左右，耐磨性要求較高。

根據內徑大小的不同，加注管有多種型號，本文選擇應用比較普遍的直徑為4mm、材質為1Cr18Ni9Ti的加注管作為噴涂基體。此加注管由三部分組成，分別是直通接頭、堵頭和外套螺母。該加注管主要用來加注普通火箭推進液，主要性能指標有耐磨性、耐腐蝕性以及密封性。加注管的失效主要是由于球錐接觸面長期在高應力及高磨損的工作條件下，使得球錐接觸面密封不嚴導致推進液泄露。在球錐面加注管表面噴涂陶瓷材料后，能夠大大提高其抗磨損及耐腐蝕性能，有效延長加注管的使用壽命。

2.2陶瓷噴涂材料的選取

根據加注管工作時耐磨性、耐腐蝕性的要求，本文選擇碳化鎢作為球錐面加注管的陶瓷噴涂材料。碳化鎢粉體一般采用鎢酐(WO3)與石墨在還原氣氛中，于1400～1600℃高溫下合成，加工工藝比較簡單，容易獲取，成本較低。

表1為碳化鎢陶瓷的基本指標[2]。由于碳化鎢陶瓷涂層具有良好的力學性能，硬度高、耐磨、摩擦系數較小、化學性質穩定等優點，是陶瓷噴涂材料的理想選擇。為了提高陶瓷涂層與基體間的粘結強度，提高球錐面加注管的耐磨性，可適當添加鎳元素、鉻元素以及其他添加劑[1]。

2.3陶瓷噴涂工藝選擇

現在生產實際中應用比較廣泛的陶瓷噴涂方法主要有火焰噴涂法（包括線材火焰噴涂、粉末火焰噴涂、超音速噴涂、爆炸噴涂等）、等離子弧噴涂和電弧噴涂[3]。等離子弧噴涂法是比較傳統的方法[7]，本文依據球錐面加注管的工作要求以及表面涂層材料的特點，采用超音速噴涂法。

“超音速噴涂”比傳統的“等離子噴涂”有著明顯的品質優點，其噴涂速度超過音速的3.5倍，比“等離子噴涂”高得多，所以涂層與底材的結合強度大，是“等離子噴涂”的3～4倍。其涂層硬度與密度也比等離子噴涂強很多；此外，采用超音速噴涂技術，其涂層為塊狀結合，滲水率較低，表面極為細致，不易滲透、脫落，且甚至可研磨至鏡面。噴涂后球錐面加注管陶瓷涂層的性能指標如表2所示。

3 加注管陶瓷涂層噴涂方案設計

3.1陶瓷涂層的厚度設計

陶瓷涂層與金屬基體間的結合強度與涂層厚度關聯性大。一般來說，涂層厚度越大，涂層耐磨性越好，然而涂層中卻會有較大的應力存在，導致涂層與基體間的結合強度較小；此外，球錐面加注管接觸面是在配合狀態下工作的，過大的涂層厚度，在涂層全部耗損前，球錐接觸面已不能完全密封推進液，導致球錐面加注管失效，因此，涂層厚度不宜過大。

鑒于以上分析，依據陶瓷噴涂厚度的經驗數值[8]，確定錐面碳化鎢陶瓷涂層打底層厚度為0.1mm，工作層的厚度為0.3mm；球面陶瓷涂層打底層厚度為0.1mm，工作層厚度為0.2mm。則球錐面涂層厚度分別為：

H球面=0.1+0.3=0.4mm

H錐面=0.1+0.2=0.3mm

3.2陶瓷噴涂工藝

碳化鎢陶瓷噴涂工藝流程為：預清洗——基體表面粗化處理——工件表面預熱——噴涂打底層和工作層。

預清洗零件是十分重要的一道工序，一般采用化學清洗法和低溫加熱法[5]，本文采用丙酮進行清洗。基體表面粗化的目的是活化接觸表面，以提高結合強度；同時，工件表面粗化也能改變涂層殘余應力的分布，本文采用白剛玉進行粗化處理。工件表面預熱，可縮小基體與涂層間收縮量的差別，并可提高涂層的粘結強度[4]。按照以上步驟，完成碳化鎢陶瓷噴涂樣件，如圖1所示。

3.3噴涂注意事項

（1） 對球錐面加注管進行全面的預清洗；

（2） 在噴砂處理時盡量避免基體結構發生變形；

（3） 噴涂表面要保持平整、連續；

（4） 噴涂時盡量減少涂層中的氣孔。

4 陶瓷涂層耐磨性的影響因素

陶瓷涂層由于具有較好的耐磨性能而得到廣泛的應用。影響陶瓷涂層耐磨性的因素有多種，包括陶瓷涂層硬度、涂層結合強度和涂層中的硬質顆粒數。本文重點介紹陶瓷涂層的硬度和涂層的結合強度。

4.1陶瓷涂層的硬度

硬度反映了材料表面抵抗局部壓入變形或者刻劃破裂的能力。對于陶瓷材料，一般來說，在一定范圍內，耐磨性能會隨著表面硬度的增大而提高。硬度值的測量一般采用壓入法，以規定的試驗力，將具有一定形狀的金剛石壓頭以適當的壓入速度壓入陶瓷涂層，保持規定的時間后卸除試驗力，然后測量壓痕對角線長度，并將對角線的長度代入維氏硬度公式（1）中，便可得維氏硬度值，詳見國標GB9790-88。

其中：

HV——涂層的維氏硬度；

A——壓痕傾斜表面的面積；

d——壓痕兩對角線的算術平均值。

4.2陶瓷涂層的結合強度

陶瓷涂層的結合強度對其耐磨性乃至整個零件的使用壽命都是至關重要的。陶瓷噴涂方法、粉末結構及粉末成分、金屬基體預處理等因素對涂層的結合強度起著決定性的作用[6]。

陶瓷涂層的結合強度，可在拉伸試驗機上通過拉伸試驗求得。基本原理為：將膠粘好的試樣裝在拉伸試驗機上，在規定的條件下，均勻、連續地施加載荷，直至試樣斷裂，記錄最大斷裂載荷，并計算結合強度。記試樣斷裂的最大載荷為F，試樣的涂層面積為A。則涂層的結合強度σb可通過公式（2）求得，詳見國標GB8642-88。

結 語

在過去的幾十年里，陶瓷噴涂技術已經得到了廣泛的應用，其優異的耐磨性、耐腐蝕性以及耐溫性能已經展現在人們的面前。然而，陶瓷噴涂工藝方法眾多，可噴涂的涂層材料性能各異，如何提升陶瓷涂層的性能，還有待于進一步的探討和研究，這些研究將有助于陶瓷噴涂技術在航空航天、汽車、化工等領域的進一步發展應用。

參考文獻

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