火焰噴涂鎳石墨涂層工藝研究

侯慶英 郭利雄 王忠明

(中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

發(fā)動(dòng)機(jī)氣路封嚴(yán)是影響其效率和性能的重要因素，為此，在設(shè)計(jì)上常采用可磨耗涂層來達(dá)到氣路封嚴(yán)的目的。可磨耗涂層要求涂層質(zhì)軟而易磨，與基體有良好的結(jié)合性能，并具有良好的抗沖擊、抗熱震性能。鎳石墨涂層由于其硬度低，結(jié)合力強(qiáng)，孔隙率相對(duì)穩(wěn)定，具有一定的抗沖擊能力等特點(diǎn)，能滿足封嚴(yán)涂層的使用要求。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱噴涂層主要包括耐磨涂層、熱障涂層、封嚴(yán)涂層和高溫防護(hù)涂層等。航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)都有比較完整的氣路封嚴(yán)系統(tǒng)。系統(tǒng)由介于軸、鼓筒、轉(zhuǎn)動(dòng)葉片葉尖、壓氣機(jī)和渦輪等各級(jí)之間的封嚴(yán)裝置組成，封嚴(yán)裝置的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、推力和效率。如渦輪外環(huán)(即葉尖徑向間隙)的封嚴(yán)，按設(shè)計(jì)要求，葉尖間隙與葉片長(zhǎng)度的比值每增加1%，渦輪效率損失就增加1% ～3%，可見，氣路封嚴(yán)是提高效率和性能的重要途徑之一。為此，在設(shè)計(jì)上常采用可磨耗涂層來達(dá)到氣路封嚴(yán)的目的。熱噴涂封嚴(yán)涂層分為兩大類，即主動(dòng)磨削涂層和可磨耗涂層?？赡ズ耐繉右笸繉榆浂啄ィc基體有良好的結(jié)合性能，并具有良好的抗沖擊、抗熱震性能。

鎳石墨涂層屬于低溫可磨耗封嚴(yán)涂層，通常硬度為35～45 HR15Y，結(jié)合力良好，主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷端，工作溫度在450℃以下。由于鎳石墨粉末熔點(diǎn)較低，采用相對(duì)低成本的火焰噴涂技術(shù)，制備有一定孔隙率及氧化物含量的涂層，可滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

1 火焰噴涂的原理及特點(diǎn)

火焰噴涂是一項(xiàng)采用氧氣-燃料燃燒能為熱源的噴涂技術(shù)，按噴涂材料可分為線材式和粉末式兩種，粉末式火焰噴涂原理如圖1所示。

在氣體流動(dòng)的情況下，使用打火器點(diǎn)燃噴槍噴嘴，粉末通過送料器由送粉氣體攜帶進(jìn)入火焰噴槍噴嘴部位，粉末由于在噴嘴處遇到燃燒氣流而被加熱和加速，同時(shí)噴附在基體表面上。粉末噴涂一般采用乙炔為燃料，按如下的反應(yīng)進(jìn)行：

在完全燃燒時(shí)，如乙炔量為1，氧氣的量就是5/2。但氧氣和乙炔的混合氣體的比例如果是1∶1，則需從周圍空氣中補(bǔ)給氧氣，方能得到中心焰。而且在噴嘴出口處將發(fā)生上述的式(1)、(2)反應(yīng)，此部分由還原性氣體介質(zhì)組成。然后在外焰部分，則由空氣中的氧氣進(jìn)行式(3)、(4)反應(yīng)，經(jīng)過完全燃燒，在火焰中飛行的粉末材料不斷受到加熱。但由于氣體的急速流動(dòng)，火焰中會(huì)混入大量空氣，因此火焰的大部分將變成氧化性氣體，容易造成粉末材料脫碳［1］。

噴涂鎳石墨之前的打底涂層一般選用Ni-Al粉末。由于其屬于自粘結(jié)復(fù)合粉末，即在噴涂工藝過程中，能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成金屬間化學(xué)物，并且釋放大量熱量，將基體表面加熱到接近熔融狀態(tài)，促進(jìn)熔融顆粒與基體表面形成冶金結(jié)合的復(fù)合粉末材料，使用Ni-Al能提高涂層與基體之間的結(jié)合力，因此在噴涂鎳石墨之前選用等離子噴涂設(shè)備在試片上噴涂鎳包鋁涂層，之后使用火焰噴涂設(shè)備噴涂鎳石墨涂層至規(guī)定厚度。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

火焰噴涂系統(tǒng)、等離子噴涂系統(tǒng)、ABB六軸機(jī)械手、吹砂機(jī)。

2.2 試樣準(zhǔn)備

噴涂試件材料為1Cr17Ni2，規(guī)格為50 mm×30 mm×4 mm，表面平行度0.08 mm。

2.3 硬度測(cè)試方法

采用全洛式硬度計(jì)，80 HR15Y標(biāo)準(zhǔn)試塊，試驗(yàn)加載時(shí)間為5 s，在試片上取10點(diǎn)進(jìn)行硬度測(cè)試，計(jì)算其算術(shù)平均值，即為涂層硬度。

2.4 火焰噴涂的工藝流程及其作用

火焰噴涂鎳石墨工藝流程：有機(jī)溶劑除油→低壓吹砂→等離子噴涂底層→火焰噴涂鎳石墨。

有機(jī)溶劑除油：選用丙酮對(duì)試片進(jìn)行除油，待試片晾干或用經(jīng)油水分離處理過的壓縮空氣吹干。

吹砂：用吹砂機(jī)對(duì)試片進(jìn)行低壓吹棕剛玉砂，吹砂后不允許赤手接觸試件。為確保涂層與基體的結(jié)合力，防止灰塵、雜質(zhì)等二次污染待噴涂界面，應(yīng)嚴(yán)格控制吹砂至噴涂的時(shí)間間隔，通?？刂圃? h以內(nèi)。

等離子噴涂：用等離子噴涂設(shè)備在試片上噴涂鎳包鋁粉末，該涂層是自粘結(jié)性涂層，作為中間過渡涂層可以提高鎳石墨層的涂層結(jié)合強(qiáng)度。通常底層厚度控制在0.10～0.15 mm。

噴涂鎳石墨：用火焰噴涂設(shè)備在鎳包鋁涂層上噴涂鎳石墨涂層。表1為噴涂鎳石墨的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.5 主要工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響

2.5.1 氧氣和空氣對(duì)涂層硬度的影響

由前文的論述得知，在完全燃燒時(shí)氧氣量和乙炔量的比為2.5∶1，若在混合氣體中氧氣的量過大，則在火焰部分會(huì)形成氧化性氣氛。同時(shí)，由于氣體高速流動(dòng)形成的湍流會(huì)將周圍空氣中的大量空氣帶入火焰中，會(huì)再次增多火焰中的氧化性氣體，造成鎳石墨材料的大量脫碳，最終導(dǎo)致涂層中的C含量降低，使涂層的硬度上升。通過對(duì)比序號(hào)1和2可以看出，在空氣壓力由0.14 MPa增加至0.52 MPa的情況下，涂層硬度由44.2 HR15Y降至39.8 HR15Y。

2.5.2 噴涂距離與涂層硬度的關(guān)系

噴涂距離越近，涂層硬度越高：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2和數(shù)據(jù)3可以看出，在所有參數(shù)不變的情況下，噴涂距離為220 mm時(shí)對(duì)應(yīng)涂層的硬度值為39.8 HR15Y，噴涂距離為180 mm時(shí)對(duì)應(yīng)涂層的硬度值為58.4 HR15Y。圖2是METCO-P型噴槍的粉末速度與噴嘴距離的關(guān)系［1］。

粉末式噴涂由于粉末在噴嘴處獲得加速，因此噴嘴處的粉末運(yùn)動(dòng)速度最高，離噴嘴越遠(yuǎn)，粉末的運(yùn)動(dòng)速度呈下降趨勢(shì)，粉末速度與噴嘴距離的關(guān)系可參照?qǐng)D2。由于粉末速度的下降，導(dǎo)致粉末摔打到試片上的動(dòng)能減小，同時(shí)由于距離越遠(yuǎn)，粉末與氧氣反應(yīng)更為徹底，脫碳量越大。因此對(duì)比180 mm噴涂距離和220 mm距離條件下的涂層硬度，噴涂距離180 mm產(chǎn)生的涂層硬度值偏大。

2.5.3 送粉量與涂層硬度的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)序號(hào)10、11、12的數(shù)據(jù)可以看出，在其它參數(shù)不變的情況下，隨著送粉量的增大，涂層硬度顯著降低。序號(hào)10中送粉量為45 g/min，涂層硬度值為50.5 HR15Y；序號(hào)11中送粉量為49 g/min，涂層硬度值為48.3 HR15Y；序號(hào)12中送粉量為53 g/min，涂層硬度值為37.5 HR15Y。

由于在上述三組數(shù)據(jù)中其它參數(shù)不變，即噴槍的總功率沒有變化，也就是說通過燃燒氣體生成的熱量是一定的。通過增加送粉量，單個(gè)粉末在噴涂過程中接受的熱量有所下降，即粉末的脫碳狀況有所降低，涂層中的C含量升高，因此涂層的硬度值呈下降趨勢(shì)。

2.5.4 噴嘴型號(hào)與涂層硬度的關(guān)系

在噴涂過程中，燃燒氣體產(chǎn)生大量的熱量，所以必須對(duì)噴槍部位進(jìn)行冷卻?；鹧鎳姌尩睦鋮s主要是通過噴槍兩側(cè)的冷卻單元對(duì)噴嘴吹壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)的，另外冷卻噴嘴的同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)冷卻試件的作用。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的序號(hào)8和序號(hào)12在其它參數(shù)不做變化，更換噴嘴型號(hào)進(jìn)行噴涂，發(fā)現(xiàn)使用6P-4噴嘴的硬度值為42.6 HR15Y，而使用6P-3噴嘴的硬度值為37.5 HR15Y，經(jīng)分析這是由于噴嘴的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致。對(duì)比兩種型號(hào)的噴嘴，發(fā)現(xiàn)6P-3噴嘴的出氣孔角度在安裝時(shí)相對(duì)6P-4更傾向于噴槍的軸向。因此在噴涂過程中通過噴嘴的壓縮空氣會(huì)有較大量混入火焰中，粉末在飛行過程中遇到的氧氣量也較多，因此涂層硬度相對(duì)降低，由42.6 HR15Y降至37.5 HR15Y。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)經(jīng)過分析噴涂后試樣表面鎳石墨涂層，確定了火焰噴涂鎳石墨涂層的各種影響因素。

(2)通過實(shí)驗(yàn)，摸索并找到了涂層硬度的影響因素及趨勢(shì)。

［1］蓮井淳，等.噴鍍技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1978.