鋁合金花鍵表面耐磨處理方法分析與驗證

胡 超，朱卓宇，鐘建鋒，2

（1.中國航發湖南動力機械研究所，湖南株洲 412002；2.直升機傳動技術國防科技重點實驗室，湖南株洲 412002）

0 引言

某型機槳距操縱桿是安裝在直升機減速器內部，通過尾伺服系統往復運動改變尾槳距的關鍵零件。其輸入端與助力器操縱桿相連，輸出端與叉形件相連，中部通過浮動花鍵的方式和尾槳軸相連，槳距操縱桿花鍵主要參數見表1。

該型機槳距操縱桿首次采用2618A 鋁合金材料（標準為ASNA3357）。該鋁合金與鋼材料相比密度小，能減輕約2 kg 的重量；但缺點是硬度低，耐磨性差。在首次飛行176 h 后，發現槳距操縱桿花鍵外表面出現嚴重接觸磨損（圖1）。

表1 槳距操縱桿花鍵主要參數

圖1 槳距操縱桿花鍵表面磨損情況

根據檢查結果，在花鍵工作面和非工作面上發現長（40～70）mm 的拉痕，磨損深度最高達0.14 mm，而與之相配的尾槳軸內花鍵工作正常。分析槳距操縱桿花鍵磨損原因，是由于槳距操縱桿材料為2618A 鋁合金（硬度為120 HV 左右），而尾槳軸材料為15-5PH 鋼（硬度320 HV 左右），這兩種材料硬度差距較大，在飛行過程中，由于槳距操縱桿往復運動，造成其外花鍵磨損。

由于槳距操縱桿花鍵處磨損情況嚴重，將會影響到減速器的翻修間隔期，因此必須解決外花鍵磨損問題。而槳距操縱桿的取證試驗已完成，如改材料將導致增加重量，重新試驗等問題。因此最經濟便捷的方法就是對花鍵增加表面處理，在滿足花鍵精度要求的前提下提高其表面硬度及耐磨性能。

1 鋁合金表面處理方法

能提高鋁合金表面硬度和耐磨性的表面處理方式有噴砂、硬質陽極化、電鍍、微弧氧化、等離子噴涂碳化鎢、化學鍍鎳等，由于該槳距操縱桿花鍵齒形公差要求較高，這些處理方式中能用于復雜表面且能較大程度提高硬度和耐磨性能的有微弧氧化、等離子噴涂碳化鎢、化學鍍鎳等。

1.1 等離子噴涂碳化鎢技術

等離子噴涂技術是繼火焰噴涂后發展起來的一種新型多用途的噴涂方法，具有溫度高，能量集中，弧穩定性好等特點。

碳化鎢（WC）具有很好的噴涂性和耐磨性，是等離子噴涂技術中常用噴涂材料，利用等離子噴涂技術對鋁合金進行噴涂碳化鎢，能提高鋁合金表面硬度達1000 HV 以上，現已得到廣泛應用，如薄壁鋁制傾斜器導筒等。其膜層性能：耐磨性涂層厚度（50～150）μm；硬度（1150～1300）HV；結合力強度一般＞70 MPa；涂層粗糙度Ra（3～5）μm 不等，經過磨削加工后涂層的光潔度可以達到Ra（0.1～0.5）μm；工作溫度可達500 ℃；耐腐蝕性好；涂層不均勻度≤10%；通過磨削后加工進一步提高涂層均勻度。

利用等離子噴涂技術對鋁合金進行噴涂碳化鎢（WC），前處理十分簡單，僅需除油脫脂處理，噴涂時對不噴涂部位作遮擋保護，噴涂后需對噴涂部位進行磨削加工，以保證涂層的光潔度。

1.2 微弧氧化法

微弧氧化是一種在有色金屬表面原位生長陶瓷膜的高新技術[2，3]。該技術能使表面氧化層在微等離子體的作用下，使非晶結構的Al2O3 轉變成A2Al2O3 和C2Al2O3[4]。微弧氧化生長的陶瓷膜致密，與基體結合力強、尺寸變化小[5]。其膜層性能：防腐膜厚度（20～50）μm，耐磨性膜層為（60～150）μm；厚度越大涂層越疏松，使用前需將疏松層打磨掉；普通鋁合金氧化后硬度（800～1200）HV，硬鋁氧化后為（900～1500）HV；結合力一般＞100 MPa；氧化膜粗糙度Ra（1.5～5）μm；需作后續打磨處理，以增加表面光潔度；涂層不均勻度≤10%；通過磨削加工后可進一步提高涂層均勻度。

鋁合金微弧氧化前僅需作簡單除油脫脂處理，氧化后需對氧化膜進行封閉、拋光等后續處理，使氧化膜的耐腐蝕性與表面光潔度達到所需要求。

1.3 化學鍍鎳法

化學鍍鎳是不通電的情況下，在特定的鍍液中，于一定條件下使金屬離子被還原劑還原，最終沉淀到固態基體表面上形成鎳鍍層的過程。按鍍層的成分分類，化學鍍鎳有鎳磷、鎳硼、鎳硼佗和顆粒增強鍍層4 種。其中鎳磷鍍層工藝相對簡單且性能較好，一般化學鍍鎳采用鎳磷鍍層，其膜層性能如下：厚度（20～50）μm；硬度（450～550）HV，經熱處理后可達（950～1050）HV；結合強度＞300 MPa；表面光潔度一般為Ra0.4 μm；鍍后一般都不需再作磨削加工；鍍層厚度均勻，化學鍍液的分散程度接近100%。

2 表面處理方法對比分析及結論

對三種鋁合金表面處理方法進行比較，并針對某型槳距操縱桿花鍵表面實際特點進行分析。

（1）等離子噴涂碳化鎢法得到的鍍層硬度高（＞1000 HV），但該方法利用粒子高速運動附著與目標表面，而槳距操縱桿花鍵處存在圓倒角，因此在噴涂時會導致該圓角處的噴涂效果低于其他部位。另外由于槳距操縱桿花鍵粗糙度要求為Ra 1.6，因此使用此方法需對涂層進行磨削加工以滿足粗糙度要求，而涂層硬度高，將加大加工難度。

（2）微弧氧化法得到的鍍層硬度高（＞800 HV），且其得到的鍍層均勻，但此方法得到的鍍層包括（20～50）μm 的防腐膜層及（60～150）μm 的耐磨膜層，須進行打磨拋光處理提高粗糙度，同樣增加了二次加工的難度。

（3）化學鍍鎳法得到的鍍層均勻致密，結合力強，所得鍍層硬度較高（＞400 HV），且其厚度可由鍍鎳時間來控制，鍍后可滿足該槳距操縱桿花鍵的外形及精度要求，無需再對花鍵進行再加工處理。

通過綜合對比分析，從鍍層硬度上來講，三種方法得到的鍍層硬度大于15-5PH 鋼的硬度，均滿足所需硬度要求。從對鍍層的厚度、光潔度等影響精度的因素上來講，等離子噴涂碳化鎢法和微弧氧化法得到的鍍層光潔度不高，需進行磨削加工后才能滿足要求，而鍍層硬度很高，花鍵結構復雜，在滿足精度的條件下進行再加工十分困難；化學鍍鎳法則無需進行二次加工，因此化學鍍鎳法是最適合提高該型機槳距操縱桿花鍵表面耐磨能力的表面處理方法。

3 飛行試驗驗證

選用化學鍍鎳法對該槳距操縱桿花鍵進行表面處理，并隨直升機飛行800 h 后分解檢查發現，該花鍵表面僅有輕微摩擦痕跡（無深度），未發現磨損或劃痕（圖2）。因此，經實際飛行驗證，選用化學鍍鎳法可有效解決鋁合金花鍵磨損問題。

圖2 隨機飛行800 h 后花鍵表面情況

4 結束語

針對該型機槳距操縱桿花鍵處嚴重磨損的實際情況，對三種可行的鋁合金表面處理方法進行綜合對比，分析出最適合該型機槳距操縱桿花鍵處的表面處理方法——化學鍍鎳法，可為類似鋁合金花鍵表面耐磨處理提供參考和依據。隨著航空事業的發展和對化學鍍鎳認識的逐步深入，化學鍍鎳技術在國內航空工業中的應用必將不斷成熟。