某型航空發動機鎳鎘合金擴散鍍層工藝研究

劉臣 孫紅梅 馬海強 楊武奎

摘要：某型航空發動機滑油封嚴圈按設計要求在制造和修理時零件表面局部敷鍍鎳鎘合金層，但是零件內表面對光潔度要求很高，容易腐蝕。針對此問題，研究開發了敷鍍鎳鎘合金工藝和除鎳鎘合金工藝，解決了低合金鋼、不銹鋼零件以及精密零件局部敷鍍鎳鎘合金鍍層、局部防護、深窄凹槽溶液分散性差、除鎳鎘合金鍍層溶液高腐蝕性、高毒性等難題，并對其他低合金鋼、不銹鋼零件的高溫防腐和防氧化提供了理論和依據，為提高航空發動機使用性能和飛行安全起到一定參考作用。

關鍵詞：鎳鎘合金層；敷鍍；去除；象形陽極；局部防護

Keywords：Ni-Cd alloy layer；coating；removal；pictographic anode；local protection

0 引言

某型航空發動機滑油封嚴圈材料為38CrMoAlA，按設計要求在制造和修理時其表面需要敷鍍鎳鎘層，用于零件在高溫環境下的防氧化和腐蝕。鎳鎘合金擴散鍍層是中高溫防護鍍層，在500℃高溫下能很好地保護鋼鐵件不被腐蝕和氧化，并具有一定的耐沖刷能力，預期鎳鎘合金擴散鍍層能成為基體材料的陽極保護層，起到保護基體材料的作用。

1 研發背景

滑油封嚴圈在使用過程中表面鍍層在高溫及氣流沖刷的作用下會出現破損，鍍層一旦破損會失去防腐保護作用，零件基體在腐蝕過程中充當陽極，加速腐蝕，因此必須除去鎳鎘合金鍍層，重新敷鍍鎳鎘合金鍍層。本項目通過研究敷鍍鎳鎘合金鍍層和去除鎳鎘合金鍍層的工藝方法和工藝參數，解決敷鍍過程中零件局部防護、溶液在深窄凹槽中分散性差、鍍層結合力、除鎳鎘層時局部防護以及環保和人身安全問題。

鎳鎘合金擴散電鍍層是一種高溫防護鍍層，在從常溫至500℃高溫的工作環境下具有良好的防護能力。該合金層具有底鎳層、鎳—鎘擴散層和表面微薄的富鎘層結構。鎳鎘合金擴散電鍍層的特點是先鍍低應力的細密的鎳層，再在鍍鎳層上鍍鎘，經過330℃～340℃熱擴散處理，讓鎳層和鎘層在高溫下相互擴散和滲透，從而形成熱擴散電鍍合金層。該合金層在高溫下的抗腐蝕能力非常強，對鋼機體而言屬于陽極防護層，作為一種理想的高溫防護層在蘇聯的P13-300、美國的JT-30和JT4A、英國的斯貝等發動機中早已廣泛應用，國產發動機壓氣機葉片和渦輪部分零件中也有使用。

2 技術指標

主要技術指標如下：

1）保證零件鎳鎘合金擴散鍍層質量應符合發動機運轉要求，保證鍍層厚度、應力值符合要求（指標見表1）；

2）鍍層相關的性能、表面狀態等應符合裝機要求；

3）鎳鎘合金擴散鍍的工藝參數應穩定，具有可操作性，可重復性好；

4）工藝方案的實施應便于實現小批量生產，以滿足工廠修理需求；

5）非鍍面未出現腐蝕，光潔度應滿足技術要求。

3研究內容和試驗方法

3.1 敷鍍鎳鎘合金鍍層溶液成分

在現有工藝的基礎上進行優化。由于應力造成零件強度下降，優化主要是控制鎳層的應力，通過調整溶液成分將鎳層應力控制在-3.5～10.5kg/mm2（-34.3～102.9MPa）范圍。

3.2 敷鍍方法

油封嚴圈內表面有深22mm、寬8mm的溝槽，按電鍍原理中電力線的分布和溶液的分散性分析，在沒有外力的情況下，鎳離子不能吸附于零件表面。航標HB 5196-82《鎳鎘擴散鍍層質量檢驗》規定“對于局部敷鍍零件允許鎳層在鍍與不鍍的交界面上向不鍍方向位移1mm，在交界處的鎳層上必須保證3～6mm過渡區無鎘層，沒有鎳鍍層的地方絕對不允許鍍上鎘層。為了滿足質量控制要求，因鎘離子比鎳離子分散性好，鎳離子不能到達的地方，鎘離子不一定不能到達”。因此，為保證局部鍍的零件鍍面全部鍍上鎳層，需制作輔助象形陽極。

3.3 去除鎳鎘合金鍍層溶液

航標HB/Z31-82《鎳鎘擴散鍍層通用工藝說明》中，去除鎳鎘鍍層采用的是主鹽化學法，溶液成分為強酸或氰化物（見表2），對零件易產生腐蝕（特別是非鍍面）或對人體及環境造成不良影響。需要通過試驗確定一種去除鎳鎘合金鍍層的方法，不僅去除滑油封嚴圈樣件上的鎳鎘合金擴散鍍層，還能有效保護非鍍面，保證非鍍面的光潔度，并解決強酸、氰化物除鍍層的質量安全、人身安全、綠色環保等問題。

3.4 鍍鎳溶液成分優化試驗

工藝流程：除油—清洗—活化（鹽酸）—清洗—鍍鎳—清洗—檢查鎳層—陰極電腐蝕—清洗—鍍鎘—清洗—鈍化—清洗（熱水50℃～60℃）—干燥—熱擴散—清理—檢查質量。試驗結果如表3所示。

為改進鍍鎳溶液成分試驗工藝，進行了三組試驗，結果如表4所示。

經過多次對比試驗，確定了敷鍍鎳鎘工藝主要溶液成分，證明加入適量糖精的方案有效可行，生產中可以采取A組方案。試片表面鎳鎘合金擴散鍍層如圖1所示。

3.5 防護涂層

生產過程中局部防護通常采用打蠟、聚氯乙烯塑料包扎、鉛皮封堵等方法，石蠟能承受的溫度為57℃～63℃，零件的除油溫度約85℃左右，所以無法起到防護作用。采用冷除油的方法對零件進行除油，發現零件在遮擋、角落處鍍層易起皮、起泡。調研發現G52-2過氯乙烯防腐漆可以耐溫120℃左右（見圖2），通過試驗證明G52-2過氯乙烯防腐漆可以在敷鍍鎳鎘合金鍍層和除去鎳鎘合金鍍層過程中用于非鍍面的局部防護。

3.6 除鎳鎘方法的確定以及工藝開發

試驗結果如表5所示。

經過多次對比試驗，確定按新配置溶液加水吹砂進行除鎳鎘鍍層。A組和C組試片表面除鎳鎘外觀對比如圖3所示。

按已驗證的工藝進行零件的除鎳鎘試驗，經現場檢驗，認為該方法能有效防止非鍍面長時間在高溫酸性條件下被腐蝕，零件鍍層去除前后情況如圖4、圖5所示，可知該方法除鍍層時間短，效率高，除鍍層風險小。

根據零件的形狀和電鍍過程中電力線的分布，設計滑油封嚴圈表面鍍鎳鎘合金鍍層象形陽極夾具，如圖6～圖8所示。

4 結論

針對滑油封嚴圈以及低合金鋼、不銹鋼零件的敷鍍鎳鎘合金鍍層和去除鎳鎘合金鍍層進行了大量的工藝探索，并做了對比試驗。通過添加輔助原材料，設計象形陽極夾具，開發了除鎳鎘合金鍍層工藝，得出適于低合金鋼、不銹鋼零件敷鍍鎳鎘合金層的工藝和去除敷鍍鎳鎘合金層的工藝。針對凹槽敷鍍鎳鎘合金層的難點問題進行了研究，引入依據零件設計象形陽極的理念，探索凹槽、窄間隙零件的電鍍方法。通過對零件應力、鹽霧試驗的檢測，掌握了敷鍍和去除鎳鎘合金層的機理。結論如下：

1）分析了三種不同方法敷鍍鎳鎘合金層的特點，通過大量的工藝探索試驗研究了適合低合金鋼、不銹鋼零件敷鍍鎳鎘合金層的工藝和凹槽、窄間隙鍍鎳鎘敷鍍鎳鎘合金層的方法，為后續深入研究優化工藝提供了堅實的工藝基礎；

2）重點研究了鎳鎘合金鍍層的去除工藝，通過宏觀和微觀形貌和粗糙度等分析工藝參數對去除效果的影響規律，得到去除鎳鎘合金工藝參數。

參考文獻

[1] 陳亞，李士嘉，等.現代實用電鍍技術[M].北京：國防工業出版社，2004：147-160.

[2] 《電鍍手冊》編寫組.電鍍手冊[M].北京：國防工業出版社，1977：271-290.

[3] HB5196-82 鎳鎘擴散鍍層質量檢驗[S].1982.

[4] HB/Z31-82 鎳鎘擴散鍍層通用工藝說明[S]. 1982.