超音速火焰噴涂與電鍍鉻的工藝研究

翟敏 安浩

(航空工業西飛熱表處理廠,陜西西安 710089)

民用以及軍用航空飛機的起落架作動筒、襟翼滑軌等重要結構部件常采用超高強度鋼或鈦合金來制造,以滿足飛機結構件設計的強度要求。傳統的表面防護措施是進行表面電鍍硬鉻處理,但是電鍍硬鉻工藝成本高、周期長并且容易導致材料的氫脆和嚴重的環境污染問題,所以對于鈦合金及超高強度鋼的表面防護必須采用新方案來替代。目前超音速火焰噴涂技術已廣泛應用于起落架、活塞桿、柱塞、艙門插銷、阻力板和鈦合金襟翼滑軌等零部件。

本文通過顯微硬度、孔隙率、以及結合強度的對比,尋找電鍍鉻以及超音速火焰噴涂技術的差距。

1 試驗設備及材料

HVOF采用DJ2700系統,碳化鎢粉末采用Sulzer Metco(US)INC.提供的,試樣使用的試樣材料為300M鋼,金相試樣、彎曲結合力試樣尺寸為100mm×25mm×1mm,結合強度試樣為φ25.4mm×50mm。

2 試驗方法

火焰噴涂試樣采用吹砂-保護-噴涂工藝流程,涂層厚度應為50 μm-76 μm。電鍍鉻采用電解除油-陽極活化-鍍鉻-干燥工序進行,鍍層厚度為20 μm-60 μm。

表1 顯微硬度值對比(HV0.3)

表2 孔隙率比較(%)

2.1 顯微硬度

準備5塊規格為25mm×100mm×1.0mm的300M鋼進行噴涂,顯微硬度的測定依照ASTM E384 11ε1,試樣顯微硬度的結果如表1所示。

從表1可以看出,超音速火焰噴涂試樣顯微硬度平均值為1129.4HV0.3,電鍍鉻試樣顯微硬度平均值為839.2HV0.3,超音速火焰噴涂顯微硬度明顯高于電鍍鉻。

2.2 孔隙率

孔隙率是來表征涂層的致密程度,也是判斷涂層質量重要指標。本文中電鍍鉻層試樣根據GB5936-86采用濕潤濾紙貼置法評價鍍層孔隙率大小,超音速火焰噴涂涂層采用金相顯微鏡的相分析功能對涂層照片的孔隙率進行測定。

表2為兩類涂層孔隙率的比較,從表2可以看出,超音速火焰噴涂碳化鎢涂層孔隙率很低在0.3%左右,超音速火焰噴涂制備試樣的孔隙率低于電鍍鉻涂層。

2.3 孔隙率與顯微硬度的關系

圖1是孔隙率和顯微硬度的關系,從圖1中可以看出,涂層的顯微硬度隨著孔隙率的升高而降低?；鹧鎳娡客繉拥娘@微硬度主要取決于W C顆粒的分布以及C o相的結合狀況。當孔隙率較大時,測量壓頭會更加容易壓入涂層造成壓痕變大,得到的顯微硬度值下降。因此,孔隙率越低,越致密的涂層其顯微硬度就越高。

2.4 結合強度

結合強度是衡量涂層與基體及涂層層間結合力大小的性能指標,采用AS TMC6 33-題2測定方法可簡便直觀地測定涂層間結合及涂層與基體結合的狀態,定量的評價涂層的結合強度。試樣的粘接如圖2所示,涂層的結合強度為5個試樣測得的平均值。

表3為兩類涂層結合強度的比較,火焰噴涂碳化鎢涂層的結合強度大約為79.74MPa,電鍍鉻層結合強度為69.8MPa。涂層結合力的大小與顆粒的熔化狀態有關,局部半熔化狀態的顆粒顯示較高結合力,同時局部熔化狀態的顆粒在高速焰流的作用下對基體產生噴丸效應,導致壓應力的產生,亦有利于結合力的增加。

圖1 顯微硬度與孔隙率的關系

2.5 成本比較

對于航空工業來說,采用超音速火焰噴涂技術替代電鍍鉻后,減少成本主要來自于不需要熱處理解決氫脆問題,同時減少了生產時間以及庫存費用,相對于環境污染有所改善,因此對于飛機起落架等大型部件來說節省成本非常明顯。

2.6 前景展望

圖2 結合強度試樣粘接

表3 結合強度(MPa)

隨著人們對生活環境的要求越來越高,對工業環保的要求也越來越嚴格。電鍍鉻產生的Cr6+離子及其廢水的排放也會受到越來越嚴格的控制,著將在很大程度上制約著傳統電鍍鉻的發展和應用。目前,在大工件的制備上,超音速火焰噴涂技術替代電鍍鉻在性能以及成本上有一定優勢,但對于小型的形狀復雜的工件,電鍍鉻仍有它的優越性。超音速火焰噴涂所制備的涂層質量優越,可以說是最具有發展潛力的表面處理技術之一,隨著此種技術的優點越來越被熟知,其在工業上的應用也必然越來越廣泛。

3 結語

(1)超音速火焰噴涂碳化鎢由于具有較高的速度,所以粉末在沉積過程中擁有較大的動能,在撞擊基體表面時,粒子平鋪較薄,與基體結合非常緊密,使得涂層的孔隙率小,約為0.3%左右,遠小于電鍍鉻涂層,顯微硬度高于電鍍鉻層;(2)涂層局部半熔化狀態使得超音速火焰噴涂結合強度高于電鍍鉻層;(3)超音速火焰噴涂噪音過大,電鍍硬鉻工藝一方面存在成本高、周期長的問題,另一方面是容易導致材料的氫脆和嚴重的環境污染問題。

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