火焰噴涂絲材耐磨涂層工藝研究

張禹　張元元　丁志偉　謝振武

摘 要：在熱噴涂技術的實際應用過程中，涂層與基體的質涂過程程中結合是最為關心的問題之一，因為涂層與基體結合力的高低直接影響到涂層的應用。火焰噴涂鎳鋁絲/13%鉻鋼絲涂層是一種飛機發動機軸間耐磨硬涂層，用于400℃以下溫度范圍內抗磨粒、硬面、微動磨損、極為耐磨和抗氧化，在國外的發動機上已廣泛應用。對氧化物和未熔顆粒的金相組織要求極為嚴格，同時火焰噴絲設備屬于企業新引進設備，需要調整氧氣與乙炔流量的匹配性、送絲速率的大小、噴涂距離和壓縮空氣的流量，來確保噴涂零件合格率。

關鍵詞：絲材火焰噴涂；耐磨涂層；工藝研究

引言：本文主要研究某系列發動機的長軸內表面也要求噴涂該涂層，設計要求涂層厚度為底層鎳鋁絲0.07-0.13mm，面層鉻鋼絲0.43-0.68mm。用金屬類耐磨涂層代替通常的陶瓷耐磨涂層，且用鎳鋁絲做底層，涂層的結合性更好，可以避免陶瓷類涂層因為脆裂造成的涂層剝落問題。同時還要使涂層硬度、金相組織中的氧化物、未熔顆粒及孔洞達到相關要求。通過調整噴涂角度、主氣與次氣的流量、送絲速率的大小，保證噴涂零件合格率，解決生產的急需。

一、試驗材料及流程

1.材料方面

采用進口的METCO405NS鎳鋁絲及METCOLOY 2#鉻鋼絲材料。

1.1鎳鋁涂層其基體界面的污染小于20%，并且不允許有裂紋，另外，對于氧化物的要求是不超過20%，并且球形氧化物直徑不允許超過100μm；片層狀氧化物長度不得超過400μm且20mm視場內不允許超過3處；簇狀氧化物直徑不得超過150μm且相距不得小于10mm；連續的條狀和密集氧化物區域大于500μm則不可接受。孔隙率要整體小于20%，并且單個孔隙直徑不得大于100μm。未熔物要小于20%且分散，其直徑小于60μm。但對于某些直徑小于150μm且相距超過1mm的單個未熔顆粒可以接受。對于其他特性的要求是總孔隙率和未熔物不得超過40%。結合強度要在2500Psi左右。

1.2對于鉻鋼絲涂層：基體界面污染：小于20%，并且不允許有裂紋存在，另外對于氧化物的要求是，不能超過20%的含量，并且直徑不大于100μm。簇狀氧化物不超過200μm且距離超過10mm；不允許有超過200μm的條狀或簇狀氧化物；孔隙率要小于20%且直徑小于150μm；未熔物要小于20%且是分散開的，直徑小于150μm；宏觀硬度要最小Rc33或HR15N70。

2.設備方面

采用的火焰噴絲設備是Sulzer Metco 6C-5K（瑞士美科制造）；吹砂機的型號是MACHINE MC 1000 Ti；另外烘箱DFH型，在0～300℃溫度范圍內可調；表面洛氏硬度計是TH310型；顯微硬度機是FM-ARS9000；拉力機是型號是AG-250KNE。

二、涂層制備工藝流程：

根據對火焰噴絲涂層的制備試驗，以及該涂層的特殊性能，另外根據對鎳鋁絲/鉻鋼絲涂層的制備實驗，我們確定試樣噴涂工藝流程如下：

噴涂前準備→清洗→保護→吹砂→噴涂（數據積累）→清理→性能測試→試驗件噴涂及加工

1.噴涂前準備

按規格準備相應試樣，準備好試樣噴涂夾具。

2.清洗

用毛刷蘸丙酮對試樣進行仔細的刷洗，徹底除去試樣表面上的油污和其它雜物。試樣除油后用干凈的壓縮空氣吹干。

3.吹砂前保護

用耐高溫膠帶保護好試樣的非吹砂表面及少部分噴涂區域（便于測量試樣和涂層的厚度），一定要確保非吹砂表面不受損傷；耐高溫膠帶不得遮蔽吹砂表面。

4.吹砂

吹砂機具有可調風壓氣源的功能，并配有油水分離器。依據設計要求和噴涂試驗優選出吹砂參數；具體要求是：吹砂后的試樣表面應是均勻無金屬光澤的粗糙表面，不允許有漏吹或過吹現象；吹砂后的試樣表面應保持良好的清潔狀態，避免吹砂表面污染，將試樣表面的浮灰用經過油水分離器過濾的、潔凈的壓縮空氣吹干凈；吹砂后的試樣要求在2 h內進行噴涂，如果超過規定的時間，必須進行重新吹砂。

5.噴涂是在規定的區域內火焰噴涂鎳鋁絲/鉻鋼絲。這需要注意的是試片的噴涂角度與噴涂距離應與零件的噴涂保持一致。并用干凈的壓縮空氣將試片表面的浮灰清除，并固定在專用夾具上。要用不同的參數對試片進行噴涂，注意噴涂角度和走槍速度。還要安裝冷卻裝置，調整冷卻樹的距離與風壓。并且在噴涂過程中，應采用間歇、多次噴涂的方法，每次噴涂間斷時間為20秒，保持試片在噴涂過程中溫度均衡，有利于避免涂層產生裂紋。

6.涂層性能評價

經過上述工藝流程制備出的試片需要做金相、硬度等性能測試來對涂層進行綜合評價。通過評價得出了兩張金相底面層孔隙率小于20%，氧化物彌散且不存在大團簇狀氧化物，未熔物小于20%，涂層組織合格；硬度測試采用的試驗材料主要是低碳鋼，其試樣規格是40×20×2mm，涂層厚度實測值為 0.12mm（底層）/0.62 mm（面層），硬度測試結果為五點HR15N：72.3 ，75.7 ，73.1，75.9，80.5，平均值75.5，結論：合格。彎曲測試：試樣材料是低碳鋼，試樣規格是75×50×1.2mm；底/面層彎曲后裂紋均少于標準照片所示，彎曲試驗合格。結合強度實驗結果如下，其試樣材料是低碳鋼；試樣規格是φ25×（5-6）mm，涂層厚度實測值為0.27mm，要求結合強度不小于2055psi，實測值為3315psi，3260psi和3274psi，結合強度試驗合格。

6.1通過得出的結果討論與分析：送絲速率對涂層性能的影響，通過對四組情況進行分析得出涂層存在未熔顆粒和大孔洞，同時涂層的顯微硬度和宏觀硬度沒達到要求，并且有的涂層硬度均達到要求，并且有的底層氧化物超標，另外噴涂過程中出現回火現象。75%的試樣硬度合格，金相組織中少有氧化物和大的未熔顆粒，噴涂過程中噴槍狀態穩定，故選用底層送絲188，面層送絲221的噴涂參數。

6.2噴涂的距離的優選

通過對硬度值可以看出，對于值高的，應該把噴涂距離控制在325mm左右。噴涂距離過遠粉末的飛行速度與溫度都有所下降，使涂層的結合力和硬度受到影響。距離過近，粉末的飛行時間過短，粉末粒子沒有完全熔化同樣影響涂層的性能。

三、結論

經過多次試驗優化出的工藝參數和工藝方法噴涂的試片，各項性能能夠滿足設計需要；編制出臨時工藝規程指導生產部門噴涂了零部件，噴涂后涂層狀態良好；涂層加工后，符合設計要求，可以投產使用。通過對火焰噴絲的噴涂噴涂試驗，該涂層各項性能指標也符合設計要求。

結語：通過以上實驗可知，為了適應噴涂發展的需要，人們一直在用某些組元之間噴涂時能產生放熱反應的材料，目的是提高粒子的溫度，從而改善涂層與基體的結合強度。另外，材料表面熱噴涂耐磨涂層已被廣泛證明是切實可行的方法，但是在實際應用中仍然存在一定的問題，例如與基體結合力不足導致剝落、殘余應力過大導致的開裂和剝落、涂層硬度不高而快速磨損或涂層韌性較差而發生脆斷等，這些都制約著熱噴涂涂層在耐磨領域的應用。今后的發展應在改進熱噴涂工藝、開發新的熱噴涂材料、深化熱噴涂理論研究等方面繼續努力，使熱噴涂技術在國民經濟發展的各個方面發揮更大、更好的作用。

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