封嚴環(huán)配合止口等離子噴涂再制造工藝

王洪明

（中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

0 引言

低壓渦輪轉(zhuǎn)子是航空發(fā)動機的4大核心轉(zhuǎn)子之一，封嚴環(huán)是低壓渦輪轉(zhuǎn)子的重要組成部分[1]，位于低壓渦輪第1、2級盤之間，與低壓渦輪第2級盤通過配合止口定位，與第1級盤采用定位銷子周向定位，起到封嚴的作用。在航空發(fā)動機大修過程中發(fā)現(xiàn)，封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤配合止口磨損較為嚴重，二者之間的縫隙變大，封嚴環(huán)的活動量也隨之增大，使航空發(fā)動機的整體振動趨于惡化[2-4]，影響其使用壽命和工作效率[5-7]。若更換封嚴環(huán)新品，其配件制造周期長、成本高，亟需開展封嚴環(huán)再制造技術(shù)研究。

封嚴環(huán)再制造主要采用等離子熱噴涂技術(shù)，通過在磨損表面噴涂涂層修復(fù)磨損尺寸，從而延長零件使用壽命。等離子熱噴涂技術(shù)廣泛應(yīng)用于零件表面修復(fù)[8]，經(jīng)驗成熟，且已建立表面修復(fù)技術(shù)體系[9-10]。等離子熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用，在保證飛機和發(fā)動機翻修等方面起到了重要作用[11-12]。范吉明等[13]系統(tǒng)地研究了等離子熱噴涂Cr3C2-NiCr涂層以及在表面修復(fù)中的具體應(yīng)用；程林等[14]分析了不同等離子熱噴涂制度對GH4169合金涂層力學(xué)性能的影響。但是，GH38合金基材上等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層及涂層修復(fù)技術(shù)尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報道。

本文針對航空發(fā)動機封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤配合止口尺寸磨損進行了等離子噴涂再制造修復(fù)，形成了穩(wěn)定的等離子噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)配合止口噴涂工藝、封嚴環(huán)配合止口車削加工工藝。

1 封嚴環(huán)再制造總體方案制定

封嚴環(huán)的壁厚約為5 mm，直徑約為500 mm，屬于薄壁件。在發(fā)動機工作過程中的振動使封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤配合止口發(fā)生碰磨，使用1000 h后，封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤配合止口磨損嚴重，表面質(zhì)量較差，需要把二者修理光滑，采用等離子熱噴涂的方法噴涂鎳鉻鐵鉬材料增材，并采用精車削的方法對鎳鉻鐵鉬涂層進行車削，保證封嚴環(huán)配合止口尺寸滿足與低壓渦輪第1級盤配合要求。主要工藝路線如下：

集件→封嚴環(huán)配合止口車削→配合止口等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層→封嚴環(huán)配合止口涂層車削。

2 封嚴環(huán)配合止口再制造可行性分析

封嚴環(huán)的基體材質(zhì)為GH38合金，對等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層進行增材，為確定鎳鉻鐵鉬涂層在GH38合金基材上的等離子熱噴涂工藝的穩(wěn)定性，在試片上進行等離子人工噴涂試驗（噴涂參數(shù)見表1），包括噴涂涂層后外觀檢查、彎曲性能檢查、金相組織檢查及噴涂涂層后拉伸結(jié)合強度檢查等工藝試驗，進而確定封嚴環(huán)止口等離子噴涂鎳鉻鐵鉬涂層參數(shù)，以保證封嚴環(huán)配合止口再制造的可行性。

表1 噴涂參數(shù)

2.1 噴涂涂層后外觀檢查

噴涂涂層后的彎曲性能檢查、金相組織檢查、拉伸結(jié)合強度檢查試驗均進行4組，對噴涂的4組試片（如圖1所示）進行外觀檢查。從圖中可見，噴涂鎳鉻鐵鉬涂層后外觀呈均勻的灰色，表面平整、均勻，噴涂涂層與GH38合金基體之間無裂紋或翹起，涂層無剝落、掉塊等現(xiàn)象，符合企業(yè)標準要求，噴涂涂層后外觀檢查合格。

圖1 噴涂試片

2.2 噴涂涂層彎曲性能檢查

噴涂涂層彎曲性能檢查試驗共進行4組，每組有3片試件。每片試件等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層后，將試樣彎曲大于170°（如圖2所示）后檢查噴涂涂層質(zhì)量，外觀無剝落，無裂紋，符合企業(yè)標準要求，噴涂涂層彎曲性能檢查合格。

圖2 GH38合金彎曲試樣

2.3 噴涂涂層金相組織檢查

噴涂涂層金相組織檢查試驗共進行4組，每組有1個試件，如圖3所示。在200倍光學(xué)顯微鏡下觀查噴涂涂層與基體界面組織結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，噴涂涂層與基體界面污染物均小于20%，符合企業(yè)標準要求，噴涂涂層金相組織檢查合格。

圖3 GH38合金基體材料噴涂后金相組織

2.4 噴涂涂層后拉伸結(jié)合強度檢查

拉伸結(jié)合強度檢查試驗共進行4組，每組有3個試件。噴涂涂層后拉伸結(jié)合強度應(yīng)不小于48.2 MPa。其拉伸結(jié)合強度見表2。該拉伸結(jié)合強度符合企業(yè)標準要求。

表2 GH38合金基體材料噴涂涂層后拉伸結(jié)合強度MPa

對封嚴環(huán)基體GH38合金試件進行等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層增材后，通過噴涂涂層后外觀檢查和彎曲性能檢查、金相組織檢查及拉伸結(jié)合強度檢查等工藝試驗，試驗結(jié)果均合格，鎳鉻鐵鉬涂層在GH38合金基材上的等離子熱噴涂工藝穩(wěn)定。可以按照噴涂參數(shù)對封嚴環(huán)噴涂鎳鉻鐵鉬涂層進行再制造。

3 封嚴環(huán)配合止口再制造工藝方法

3.1 等離子熱噴涂鎳鉻鐵鉬涂層工藝方法的確定

（1）封嚴環(huán)清洗。為保證噴涂鎳鉻鐵鉬涂層的結(jié)合強度，用脫脂棉蘸丙酮擦拭清洗封嚴環(huán)待噴涂表面（如圖4所示），除去表面油污。

圖4 封嚴環(huán)待噴涂表面

（2）封嚴環(huán)保護及吹砂。對于封嚴環(huán)除待噴涂表面之外的表面，用壓敏膠帶保護，并用白剛玉砂粒進行吹砂。吹砂參數(shù)見表3。

表3 吹砂參數(shù)

（3）封嚴環(huán)保護及噴涂。采用高溫壓敏膠帶對封嚴環(huán)非噴涂表面進行保護。噴涂前用加溫槍預(yù)熱封嚴環(huán)，然后按照確定的熱噴涂參數(shù)對封嚴環(huán)噴涂表面噴涂鎳鉻鐵鉬涂層，噴涂厚度為0.2~1.0 mm。

（4）封嚴環(huán)清理。將保護封嚴環(huán)的高溫壓敏膠帶清理干凈。

3.2 噴涂前封嚴環(huán)配合止口去除量的確定

在工作過程中，與低壓渦輪第1級盤通過配合止口接觸時，封嚴環(huán)主要受低壓渦輪第1級盤給予的過盈力和封嚴環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用，導(dǎo)致配合止口發(fā)生不同程度的磨損，表面質(zhì)量較差，存在較多的腐蝕物與積炭等，影響噴涂涂層的結(jié)合力。因此，在噴涂涂層前需要去除封嚴環(huán)配合止口部分基體材料。

3.2.1 封嚴環(huán)配合止口過盈力計算

封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤配合止口過盈配合，最大過盈量為0.1 mm，二者接觸寬度A=3 mm。封嚴環(huán)配合止口平均壓力P0/MPa與過盈量關(guān)系為

式中：e為封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤過盈量，mm。

取封嚴環(huán)dθ弧度（如圖5所示）為研究對象，則封嚴環(huán)在dθ弧度所受到的過盈力F0/N為

圖5 封嚴環(huán)dθ弧度

式中：S、A、D分別為封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤dθ弧度接觸面積（m2）、接觸寬度（m）、及直徑（m）。

計算過盈力得

3.2.2 封嚴環(huán)配合止口離心力計算

設(shè)封嚴環(huán)的整體質(zhì)量為m/kg，選取dθ弧度，則質(zhì)量為，封嚴環(huán)在工作過程中以角速度ω高速旋轉(zhuǎn)，則封嚴環(huán)dθ弧度所受到的離心力為

式中：F1為封嚴環(huán)dθ弧度旋轉(zhuǎn)離心力，N；ω為封嚴環(huán)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；r為封嚴環(huán)半徑，m。

計算離心力得

3.2.3 去除量尺寸的確定

封嚴環(huán)與低壓渦輪第1級盤配合止口所受的壓應(yīng)力是過盈力與離心力之和，即

獲取臀部的軌跡要先對不同時刻的θ1、θ2進行測量.而測量θ1、θ2的角度可以依靠傳感器或者依靠圖像分析的方法.

封嚴環(huán)配合止口抗彎強度系數(shù)為

式中：W為抗彎強度系數(shù)；h為封嚴環(huán)配合止口厚度，m。則封嚴環(huán)配合止口所承受最大力矩M/N·m為

則封嚴環(huán)的抗彎強度σ/Pa為

將式（7）、（8）代入式（9）中得

封嚴環(huán)配合止口位置單邊厚度h原為10 mm，噴涂鎳鉻鐵鉬涂層時單邊厚度最大減小1 mm，則噴涂涂層去除基體量后的抗彎強度σ=144 MPa，小于許用抗彎強度[σ]，滿足強度要求。

3.3 封嚴環(huán)再制造技術(shù)工藝方法

3.3.1 封嚴環(huán)裝夾基準的選擇

將封嚴環(huán)（圖4）放至夾具中，以封嚴環(huán)圓周表面K作為徑向基準定位，封嚴環(huán)夾具蓋板壓緊封嚴環(huán)的端面（C面）進行端面定位。通過調(diào)整封嚴環(huán)，使封嚴環(huán)內(nèi)環(huán)表面F的徑向跳動不大于0.05 mm，壓緊封嚴環(huán)夾具蓋板，準備進行車削。

3.3.2 刀具及加工參數(shù)的選擇

封嚴環(huán)基體GH38合金和噴涂涂層鎳鉻鐵鉬材料的硬度值均比較大，因此選取YD15硬質(zhì)合金的刀具進行車削。封嚴環(huán)配合止口的根部為導(dǎo)圓轉(zhuǎn)接，為達到封嚴環(huán)的設(shè)計要求，采用成型刀具進行車削。噴涂涂層鎳鉻鐵鉬的脆性較大，因此切削深度要求不大于0.02 mm。

3.4 封嚴環(huán)再制造技術(shù)測量參數(shù)的確定

3.4.1 基礎(chǔ)參數(shù)測量

選取5件配合止口需要噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)的封嚴環(huán)，分別對其配合止口尺寸、配合面跳動量及不平衡量等數(shù)據(jù)進行測量、對比分析，結(jié)果見表4。從表中可見，經(jīng)過噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)再制造的封嚴環(huán)的各參數(shù)均符合設(shè)計要求，并且較修理前有所改善。

表4 封嚴環(huán)修復(fù)前、后測量結(jié)果對比

3.4.2 封嚴環(huán)配合止口形位公差測量

選取5件封嚴環(huán)，分別對其配合止口車削后表面的粗糙度、相對于K面的同心度進行測量，結(jié)果見表5。從表中可見，經(jīng)過噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)再制造的封嚴環(huán)，其配合止口粗糙度及相對于K面的同心度均符合設(shè)計要求。

表5 封嚴環(huán)車削后測量結(jié)果

4 封嚴環(huán)配合止口再制造技術(shù)長試驗證

長試考核驗證是在地面試車臺模擬實際工況及航空發(fā)動機實際工作時長，對各零組件的性能和強度進行考核驗證。封嚴環(huán)是航空發(fā)動機的重要旋轉(zhuǎn)件，再制造后，需要通過長試考核，以驗證噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)配合止口尺寸的穩(wěn)定性。將修復(fù)合格的封嚴環(huán)搭載發(fā)動機進行長試考核，試車后在封嚴環(huán)配合止口處鎳鉻鐵鉬涂層無脫落、無掉塊，涂層狀態(tài)及檢查結(jié)果均完好。

5 結(jié)論

（1）采用噴涂鎳鉻鐵鉬涂層修復(fù)封嚴環(huán)配合止口的噴涂工藝穩(wěn)定；

（2）封嚴環(huán)配合止口加工選擇參數(shù)合適、加工工藝方法穩(wěn)定；

（3）封嚴環(huán)配合止口再制造后通過長試考核驗證，涂層不存在脫落和掉塊問題，狀態(tài)良好，封嚴環(huán)再制造技術(shù)穩(wěn)定。