提高300M鋼零件HVOF涂層結合力的方法

李　博

(中航飛機起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

提高300M鋼零件HVOF涂層結合力的方法

李博

(中航飛機起落架有限責任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：在飛機起落架制造上，超音速火焰噴涂代替鍍硬鉻工藝在中航飛機起落架有限責任公司燎原分公司的應用尚屬國內首次。生產中某型飛機起落架300M鋼活塞桿零件超音速火焰噴涂WC10Co4Cr后，涂層時有出現裂紋、起皮、剝落和剝離等結合力差的現象，成為制約交付的瓶頸因素。通過對影響HVOF涂層結合力的主要因素——表面狀態、噴涂參數、噴涂過程控制(預熱、噴槍清理及殘余應力)及涂層的磨削參數進行分析，總結出了幾種提高300M鋼零件超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層結合力的實用方法，經過實踐的長期檢驗，其效果顯著。同時對涂層結合力及結合強度的檢測方法做了簡要的介紹。

關鍵詞：300M鋼；超音速火焰噴涂；結合力；結合強度

鍍硬鉻廣泛應用于飛機起落架零件耐磨損表面層和損傷表面層的修復等工作，但是由于鍍硬鉻容易產生鉻層缺陷和氫脆，且電鍍過程存在產生大量的鉻霧和含鉻廢水，環境保護處理周期長和成本高等缺點；因此，各個國家都在尋找鍍硬鉻的替代工藝，超音速火焰噴涂(HVOF)即是根據這一需要而產生的一項新型鍍覆工藝。 HVOF不但克服了鍍硬鉻工藝的缺點，而且其碳化鎢涂層具有孔隙率小、結合強度高、硬度高和沉積速率高等優點。

在以美國為代表的西方發達國家中，HVOF已在航空航天等領域有了較為廣泛的應用，并在逐步取代爆炸噴涂和等離子噴涂[1]。國內其在飛機起落架制造上的應用方面，中航飛機起落架有限責任公司燎原分公司尚屬首次，取得了顯著的成效，后續研制的其他機型上均不同程度采用了該工藝；但是，隨著應用范圍的擴大和加工產品數量的增加，生產現場也暴露出由于涂層結合力差而出現的裂紋、起皮、剝落和剝離等缺陷。為此，通過工藝試驗總結出了一些有利于提高300M鋼活塞桿超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層結合力的方法。

1工藝試驗

1.1噴涂粉末

所選用的噴涂粉末為SM5847(WC10Co4Cr)，利用GSL-100激光粒度分析儀進行粒度分析，粒度分布非常好, 且范圍集中，90%在5～30 μm并且顆粒均勻。可以肯定, 這種粉末具有非常好的流動性，利用Quanta600掃描電鏡(SEM)分析了其形貌(見圖1)。WC10Co4Cr粉末的化學成分見表1。

圖1　WC10Co4Cr粉末的SEM像

(%)

1.2試樣

試樣材料為300M鋼，彎曲結合力試樣規格為100 mm×25 mm×1 mm，數量為12根，涂層厚度為25～76 μm；結合強度試樣規格為φ25.4 mm×33 mm，數量為15根，螺紋為M12×1.5，涂層厚度為200～250 μm。

1.3噴涂設備

噴涂設備為Sulzer metco HVOF控制系統，配備ARC Mate 120IB(FANUC機器人)和Woka-star600型噴槍。

1.4工藝流程

工藝流程為：噴前準備→試樣清洗、測量→試樣噴砂→檢驗→試樣噴涂→試樣檢測→檢驗→零件噴前檢查→零件清洗→零件噴砂保護→零件噴砂→檢驗→零件噴涂保護→零件噴涂→檢驗→機加磨削→涂層測厚。

1.5涂層性能檢測

1.5.1彎曲結合力

彎曲結合力試驗是定性檢測涂層結合力及柔韌度的一種方法。

1)將噴涂符合要求的試樣繞直徑為12.7～13 mm的鋼棒彎曲成180°夾角，涂層面向外，彎曲速度約為10°/s。

2)目視檢查彎曲部位(見圖2)，不應出現涂層剝落或剝離情況。涂層開裂和邊角出現少量剝落應視為合格。

圖2　彎曲試驗驗收標準

1.5.2結合強度

結合強度試驗是定量檢測涂層與基體結合牢固程度的一種方法。采用膠接法進行結合強度試驗, 粘接劑為E-7膠。

1)按GB/T 8642《熱噴涂抗拉結合強度的測定》制備3個結合強度試樣并進行測試。

2)涂層結合強度>70 MPa為合格。如果出現<70 MPa的膠斷，則應重新膠粘試樣并重新測試；如果出現<70 MPa的涂層破壞，則視為不合格。

2影響300M鋼零件HVOF涂層結合力的主要因素

2.1表面狀態

1)表面光潔度。零件表面如果有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，在噴涂時會導致污垢處涂層無法沉積、沉積疏松或臨近的區域涂層不完整等。

2)表面粗糙度。粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面, 增大涂層與基材的機械咬合力，使凈化處理過的表面更加活化，以提高涂層與基材的結合強度。W.A.Gonzalez-Hermqsilla等研究了基體表面粗糙度對涂層結合力的影響，發現表面粗糙度對涂層與基體間結合力影響巨大。提高基體表面粗糙度能夠顯著提高涂層與基體間的結合力[2]。對大多數金屬材料來說，噴涂前表面粗糙度為Ra(2.5～13) μm即可。

2.2噴涂過程

1)工序安排。對于既有噴涂又有鍍鉻要求的零件，如果先進行噴涂后進行鍍鉻，也就意味著HVOF涂層要長時間浸入在酸性的鍍鉻槽液中并伴隨整個電鍍過程。大量試驗表明，這樣做會導致涂層的結合強度下降1～3 MPa。

2)預熱。預熱能夠消除零件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與零件接觸時的界面溫度，提高涂層與基體的結合強度；同時，也能減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應力而導致的涂層開裂。

3)噴涂參數。預處理好的零件應在盡可能短的時間內進行噴涂，噴涂參數應根據涂層材料、噴槍性能和零件的具體情況而定，優化的噴涂參數可以提高噴涂效率，并獲得致密度高和結合強度高的涂層。

4)噴槍的累計工作時間。煤油和氧氣在燃燒室內混合后點燃，在噴槍內部燃燒，并產生高度膨脹。煤油內雜質會不同程度地與氧和碳在高溫作用下發生反應，形成不易熔化的氧化物及碳化物，并隨著時間的增加，殘留在噴槍內部，形成結瘤。當噴槍內產生高速燃氣流時，不可避免地將殘留雜質攜帶，撞擊基體表面，形成較嚴重的界面污染和大量的孔洞。經磨削后，涂層宏觀上表現為針眼和氣孔等缺陷。同時，大量試驗表明，若不能及時更換噴嘴或清理燃燒室，會影響涂層的結合力，導致結合強度降低。噴槍不同累計工作時間下試樣的結合強度如圖3所示。

圖3　噴槍不同累計工作時間下試樣的結合強度

5)殘余應力。一般熱噴涂涂層殘余應力隨著噴涂顆粒溫度的升高而增大，隨著噴涂顆粒飛行速度的增大而減小。由于HVOF噴涂顆粒的飛行速度可達到1 500 m/s，而溫度一般只有3 000 ℃左右，所以HVOF噴涂的WC10Co4Cr涂層的殘余應力為壓應力，其大小主要取決于涂層材料、噴涂工藝和涂層厚度等因素。研究表明，殘余應力是導致熱噴涂涂層產生開裂、剝離和脫落等失效形式的主要原因之一。

2.3后處理

1)磨削。一般超音速火焰噴涂的原始涂層表面粗糙度及均勻性都不能滿足設計的要求，應通過磨削來保證。涂層磨削是利用高速旋轉的金剛石砂輪，通過粗磨和精磨加工零件表面的過程，其尺寸精度可達到IT8～IT5，表面粗糙度Ra(1.25～0.40) μm。對于涂層磨削而言，合理控制磨削參數至關重要，其可以有效防止零件表面燒傷及熱應力變形，杜絕表面裂紋和涂層崩裂等缺陷的產生。

2)磨削應力。磨削表面殘余應力主要影響材料的尺寸穩定性、疲勞強度、力學性能和物理性能等。在磨削過程中，零件表面在切削力和切削熱的作用下，也會產生不同程度的塑性變形和金屬組織變化引起的體積改變，從而使零件工作表面產生內應力。如不及時消除，將影響材料的尺寸穩定性和涂層的結合力。

3提高300M鋼零件HVOF涂層結合力的主要方法

3.1保證前處理質量

1)除油。零件表面是否潔凈可以通過30 s水膜連續性試驗進行檢查、判定，即零件在<35 ℃的清潔冷水中，經過噴淋或浸漬漂洗之后，以至少在30 s內保持水膜連續不破裂為合格。試驗表明，對于零件表面的輕微油污采用丙酮和無水酒精進行擦洗，不僅簡便易行而且成本較低、效果較好；對于零件表面的嚴重油污，嚴格按照企業標準，采用三氯乙烯進行蒸氣除油即可。

2)吹砂。300M鋼零件表面不同程度地覆蓋著一薄層氧化皮，采用吹砂或打磨的方法對噴涂表面進行預處理，可以達到活化噴涂表面，有效排除氧化皮，增強涂層與基體結合力的目的。通過試驗摸索出采用直徑為0.3～0.8 mm的氧化鋁，按參數風壓0.4～0.5 MPa，噴砂距離150～200 mm，噴砂槍移動速度1 000 mm/min，零件旋轉速度150 r/min進行干吹砂，并控制吹砂到電鍍的時間間隔≤2 h及噴涂面的表面粗糙度為Ra(3.0～3.8) μm時，涂層質量最佳。

3.2噴涂過程

1)工序安排。對于既有噴涂要求又有鍍鉻要求的零件工序安排，要求先鍍鉻后進行噴涂，杜絕了槽液及鍍鉻對涂層結合力的影響。

2)預熱。采用噴槍(不送粉)對零件噴涂表面進行預熱，其溫度取決于零件的大小、形狀和材質，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數等因素，例如某型號300M鋼活塞桿的最佳預熱溫度為50～60 °C。

3)采用優化的工藝參數。參照試樣的噴涂并根據零件待噴涂外表面直徑進行計算，確定零件噴涂的具體參數并優化后用于零件的噴涂。某型號300M鋼活塞桿噴涂工藝參數見表2。

表2　某型號300M鋼活塞桿噴涂工藝參數

4)定期維護噴槍。建立噴槍工作時間記錄制度，累計工作滿8 h則檢查噴槍噴嘴的積瘤和燃燒室的積碳情況，按需要及時更換噴嘴或清理燃燒室，確保噴槍始終處于良好工作狀態。

5)控制殘余應力。采用Almen N型殘余應力測試方法進行測試，該方法具有很好的重復性和可靠性，能有效地控制和檢測超音速火焰噴涂殘余應力的大小。某型號300M鋼活塞桿涂層厚度為100～150 μm，涂層的殘余應力弧高值控制為150～380 μm。

3.3后處理

1)優化磨削參數。采用220#金剛石樹脂砂輪，通過大量的工藝試驗總結出某型號300M鋼活塞桿零件HVOF涂層磨削的最佳參數(見表3)；同時，在磨削過程中，冷卻液的噴嘴應調節到使磨輪表面與零件的觸點上直接接受滿口徑液流冷卻。

表3　300M鋼活塞桿零件HVOF涂層磨削工藝參數

2)增加回火。參考HB/Z 318—1998《鍍覆前消除應力和鍍覆后除氫處理》，規定300M鋼零件在HVOF涂層磨削后，在(190±10) ℃時，除氫時間≥4 h。

4結語

1)影響300M鋼活塞桿HVOF涂層結合力的主要因素為表面狀態、噴涂參數、噴涂過程控制(預熱、噴槍清理及殘余應力)及涂層的磨削參數等，另外，噴涂設備、噴涂材料和操作者的技能等對涂層結合力的影響也不容忽視。

2)通過控制前處理質量和噴涂過程，采用優化的噴涂和磨削參數及增加磨削回火，提高操作者的技能等來提高300M鋼零件HVOF涂層的結合力。

3)電鍍鉻工藝雖然對環境有一定的污染，但由于HVOF 噴涂工藝目前還不能在某些復雜型面及內孔實施，所以在今后很長的一段時間內電鍍鉻將仍然與HVOF噴涂同時并存和發展，但所占份額會越來越少。

參考文獻

[1] 王志平，董祖鈺，霍樹斌，等．超音速火焰噴涂涂層特性研究[J].機械工程學報，2001，37(11)：96-98.

[2] 馬壯，曹素紅，王富恥，等．基體表面粗糙度對HVOF噴涂WC-Wo粒子變形的影響[J]．北京理工大學學報，2006(26)：371.

責任編輯鄭練

西門子全新加熱控制系統可集成于自動化系統

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——摘自中國機床網

Methods for Improving Adhesion of HVOF Spraying Coatings on 300M Steel Parts

LI Bo

(Liaoyuan Branch, AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Co., Ltd, Hanzhong 723200, China)

Abstract:It is the first application in China that replacing the process of hard chrome plating with HVOF spray to landing gear manufacture in LAMC. The phenomena of cracking，blistering，skinning, flakeing and peeling happen sometimes on coatings after HVOF spraying WC10Co4Cr on 300M piston rod of landing gear for a type of aircraft, which bottlenecks the product delivery. The paper discussed methods for improving adhesion of HVOF WC10Co4Cr coatings on 300M steel parts through analyzing main factors which affect the adhesion, such as surface conditions，spray parameters， process control during spraying(warm-up, spray gun cleaning and residual stress) and analysis of parameters from coating grinding. These methods are effective by long time validation. At the same time, the methods of detecting the coating bonding force and bonding strength were briefly introduced.

Key words:300M steel, HVOF, bonding force, bonding strength

收稿日期：2014-05-30

作者簡介：李博(1969-)，男，高級工程師，主要從事飛機起落架生產過程中表面處理工藝等方面的研究。

中圖分類號：TQ 153.11

文獻標志碼：B