絲材火焰噴涂鋁硅涂層工藝研究

摘 要：渦軸16發動機上有5種零件需要采用絲材火焰噴涂技術制備鋁硅可磨耗封嚴涂層。文章研究了絲材火焰噴涂過程中送絲速度、噴涂距離、氣體流量對鋁硅涂層硬度與結合強度的影響，噴涂了葉輪罩試驗件。涂層最終通過特種工藝鑒定并應用于渦軸16發動機。

關鍵詞：鋁硅涂層；絲材火焰噴涂；渦軸16發動機

渦軸16發動機（WZ16）為哈爾濱東安發動機（集團）有限公司與法國透博梅卡（Turbomeca）公司合作研制的國際第四代先進民用渦軸發動機。中方負責研制生產的零部件中有5種需要采用絲材火焰噴涂技術制備鋁硅（Al-Si）可磨耗封嚴涂層。火焰絲材噴涂技術應用較為廣泛，用于噴涂金屬、合金及復合絲材，其所獲涂層主要用于基體表面防護和賦予基體表面新的性能（如耐磨、隔熱、封嚴等），也可用于修復零部件的尺寸（噴涂與基體相同或相近的材料，以增加尺寸）。可磨耗封嚴涂層應具有可磨損性、耐沖蝕性、熱穩定性和較小的摩擦系數，對工作溫度在600℃以上的封嚴涂層，還應具有抗氧化性。目前在航空發動機的壓氣機機匣、渦輪轉子外環、渦輪機匣等部位常用的可磨耗封嚴涂層有鎳石墨、鎳鉻鋁/硅藻土、鎳鉻鋁/二氧化硅、鋁硅石墨、鋁硅聚酯等。鋁硅涂層對海水、含鹽氣氛和天然環境都有良好的耐蝕性，涂層顆粒比較細小，涂層結構比較致密。WZ16發動機上噴涂底層采用Ni-Al20%絲材，噴涂面層采用Al-Si6%合金絲材（牌號Metco SF Aluminum）。鋁硅自熔性噴涂鋁合金絲材熔點為621℃。除了用于制備可磨耗封嚴涂層外，還可用于修復鋁部件、修補鋁鑄件砂眼和修復鑄鋁用的鑄型。

16E絲材火焰噴涂設備的送絲速度控制系統在噴槍上，由壓縮空氣驅動渦輪旋轉，渦輪帶動齒輪旋轉從而將絲材擠壓出并送入火焰。送絲速度的快慢可通過手動旋轉渦輪來調節，渦輪最多能順時針旋轉5.75圈。經測量計算，Al-Si6%絲材在2圈、2.5圈和3圈時的送絲速率分別為1188mm/min、1930mm/min和2208mm/min。固定氣體壓力、氣體流量和噴涂距離，研究送絲速度對Al-Si涂層組織及性能的影響，試驗結果見表1，涂層外觀照片見圖1。

表1 送絲速度對Al-Si涂層沉積效率和硬度的影響

a） 5/3圈 b）2圈 c） 2.5圈 d）3圈 e）4圈

圖1 不同送絲速度制備的鋁硅涂層

從鋁硅面層噴涂效果看，送絲過快（圖1e）或過慢（圖1a）都會造成表面凹凸不平。送絲過快尤甚。試驗表明如果送絲過快噴涂時能在噴槍口看到送出的燒紅而未霧化的金屬絲。單純從涂層外觀看，送絲速度為渦輪2.5圈和3圈的制備的涂層表面顆粒細膩，無未熔顆粒，涂層質量較好（圖1c-d）。但是比較表1中的涂層沉積效率可以看出，送絲速度為渦輪2.5圈的涂層沉積效率相對較高，為320μm/遍。因此噴涂鋁硅絲材時最佳送絲速度為渦輪2.5圈。從表1可以看出，總體來說涂層沉積效率與送絲速度成正比。在送絲速度為5/3～3的范圍內，絲材熔化效果好、涂層表面沒有未熔顆粒的涂層硬度低。

固定氣體壓力、氣體流量和送絲速度，研究噴涂距離對Al-Si涂層組織及性能的影響。試驗結果見表2。在噴涂距離為100～200mm的范圍內，涂層沉積效率隨噴涂距離的增加而提高，原因可以解釋為距離增加，熔化液滴對基體的沖擊力減小，熔化液滴鋪展效果不好，涂層表觀厚度增加。可以初步判定在表觀厚度增加的同時涂層孔隙率會提高。比較表2中涂層硬度結果可以發現，噴涂距離為100、150、200mm對應的涂層硬度分別為77、75、72，呈逐漸降低的趨勢，可見在100～200mm范圍內噴涂距離對硬度雖有影響但是不大，變化規律是涂層硬度隨噴涂距離的增大而降低，因為距離增大涂層孔隙率也增大，疏松涂層的硬度相對較低。試驗表明噴涂距離不能低于100mm，否則鋁硅涂層容易氧化變紅。絲材火焰噴涂鎳鋁絲材和鋁硅絲材的最佳噴涂距離為125～200mm。

表3 氧氣流量與乙炔流量對Al-Si涂層沉積效率及硬度的影響

絲材火焰噴涂過程中絲材的熔化效果主要取決于氧氣與乙炔的流量，兩者之間按照不同的配比燃燒時放出的熱量也不同。固定噴涂距離與送絲速度，研究了氧氣流量與乙炔流量對Al-Si涂層組織及性能的影響。試驗結果見表3。絲材火焰噴涂時乙炔的壓力必須大于0.1MPa才能保證穩定燃燒，但是壓力大于0.12MPa時不易點火，因此合理的乙炔壓力應為0.1～0.12MPa。從表3可以看出，隨氧氣流量的增加涂層的沉積效率逐漸提高，涂層硬度隨之降低。當氧氣流量比較小時（小于10NLPM）噴槍上的火苗變長、變綠，氧氣流量增大時火苗逐漸變短。氧氣流量為60NLPM時涂層相對粗糙，孔隙率也較大，說明此時氧氣過剩，流量大火苗變小，焰流小難以包裹住絲材達到充分熔化的效果，另外過剩的氧氣也會起到冷卻的效果，因此氧氣流量過大時絲材熔化效果反而不好。另外氧氣過剩的話也會導致涂層中氧化物含量增多。另外送絲后的氧氣、乙炔的氣體流量與送絲前的氣體流量相比有不同程度的下降，乙炔流量下降的幅度更大。如乙炔和氧氣的流量分別設定為20NLPM和60NLPM，噴涂時乙炔和氧氣的流量分別下降為10NLPM和58NLPM。主要是因為未熔化的絲材和熔融的液滴占據了噴嘴內的部分氣體流道，從而導致送絲后的氣體流量下降。另外乙炔流量與氧氣流量也互相干涉。手動旋轉調壓閥降低氧氣流量會相應提高乙炔的流量。加大氧氣流量就會降低乙炔流量。主要是因為流經氣帽的氣體總流量恒定，氧氣流量與乙炔流量之間此消彼長。

圖2 葉輪罩表面噴涂鋁硅涂層數控車至最終尺寸

經幾十次對比試驗，完成了鎳鋁底層和鋁硅涂層的噴涂工藝參數優化，制備出的涂層的微觀組織結構、硬度、結合強度、杯突試驗等均滿足技術指標要求。為了進一步考察鋁硅涂層的機加性能，選擇了一個噴涂難度最大的零件——葉輪罩進行噴涂試驗。葉輪罩的噴涂部位為一個圓弧面，對機械手行走路線的準確性要求較高。首先噴涂鎳鋁底層，噴涂完鎳鋁底層后在表面噴涂鋁硅涂層，噴涂后的葉輪罩表面為均勻、細膩的鋁硅涂層。之后在450℃保溫1小時對噴涂后的葉輪罩進行消除應力。消除應力后數控車涂層至目標尺寸，車掉表面粗糙層后鋁硅涂層露出金屬光澤，如圖2所示。涂層的表面光度能滿足Ra0.8的要求。涂層車至目標尺寸后采用超聲波探傷再次檢測涂層與基體之間的結合強度，測試表明涂層與基體結合良好，無界面分離、脫落等缺陷。

文章完成了絲材火焰噴涂制備鋁硅涂層的工藝參數優化，測試了涂層的硬度、結合強度與機加性能，噴涂了葉輪罩試驗件，經機加證明涂層的機加性能良好，制備出的涂層性能滿足技術指標要求。通過特種工藝鑒定后投入正式生產，涂層質量及涂層性能比較穩定。