超音速火焰噴涂替代鍍鉻技術(shù)修復(fù)導(dǎo)軌研究和應(yīng)用

唐 斌，謝道秀

(國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

1 問(wèn)題的提出

燃油接收探管 XX.6160.5.130.000 用于某型飛機(jī)空中加油，由于其特定結(jié)構(gòu)及工作特性，有多個(gè)重要構(gòu)件在大修時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，其中外筒導(dǎo)軌損傷故障率在2011年度高達(dá)65%，給某型飛機(jī)大修帶來(lái)阻礙，其損傷形貌見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，燃油接受探管外筒 XX.6160.1.068.900兩個(gè)導(dǎo)軌相對(duì)應(yīng)一側(cè)有嚴(yán)重磨損;與導(dǎo)軌配合的活塞桿 XX.6160.1.009.900 導(dǎo)槽也有相應(yīng)磨損，參見(jiàn)圖 2;外筒 XX.6160.1.068.900兩個(gè)導(dǎo)軌磨損部位為鍍鉻表面，磨損部位鉻層剝落，其表面磨傷深度最大達(dá)0.3 mm。

由燃油接受探管的工作原理和工件特點(diǎn)分析認(rèn)為:燃油接受探管收放工作時(shí)，活塞桿XX.6160.1.009.900 導(dǎo)槽沿外筒 XX.6160.1.068.900 導(dǎo)軌移動(dòng)，由于硬而脆的鉻層與基體材料變形不一致，在導(dǎo)軌－導(dǎo)槽之間相互移動(dòng)和扭曲力的作用下，導(dǎo)軌和導(dǎo)槽單面接觸，導(dǎo)致受力嚴(yán)重的局部鉻層龜裂剝落，并成為多余物存在于導(dǎo)軌－導(dǎo)槽之間，由此加劇了磨損和損傷，這種損傷是由于其原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及鍍鉻層的自身特性決定的，因而出現(xiàn)損傷是必然的。

文章探索采用超音速火焰噴涂技術(shù)替代鍍鉻進(jìn)行外筒 XX.6160.1.068.900 導(dǎo)軌損傷修復(fù)，為此進(jìn)行論證、驗(yàn)證和分析，力求用現(xiàn)代工藝技術(shù)克服原設(shè)計(jì)制造的不足。超音速火焰噴涂與傳統(tǒng)的火焰噴涂相比，其焰流速可達(dá)1000m/s以上，超音速噴涂粒子可以獲得更大的動(dòng)能，所形成的涂層更致密，氧化物含量更低，同時(shí)涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度達(dá)70 MPa以上，涂層耐磨損性能優(yōu)越，大幅度超過(guò)等離子噴涂層，明顯優(yōu)于電鍍硬鉻層，實(shí)踐表明具有替代鍍鉻層的優(yōu)勢(shì)。［1－3］

圖1 磨損的外筒 XX.6160.1.068.900

圖2 磨損 XX.6160.1.068.900

2 試驗(yàn)論證

2.1 制造摩擦試件進(jìn)行相關(guān)的工藝驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)

按活塞桿 XX.6160.1.009.900 的國(guó)產(chǎn)化材料(0Cr15Ni5Cu2Ti)和熱處理要求(σb=1225～1375MPa)預(yù)先制造磨輪試樣3件，見(jiàn)圖3;其中1件用于化學(xué)鍍鎳、1件為外徑表面鍍鉻、1件為電刷鍍納米鎳鈷合金。按外筒 XX.6160.1.068.900 的國(guó)產(chǎn)化材料(30CrMnSiA)和熱處理要求(σb=1080～1275MPa)預(yù)先制造磨盤(pán)試樣3件，見(jiàn)圖4;其中2件用于外徑表面超音速火焰噴涂WC17Co、1件為原基材。用于形成不同狀態(tài)的摩擦副，進(jìn)行耐磨性試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證加工效果及不同表面狀態(tài)的匹配性，得到優(yōu)選新工藝的依據(jù)。

圖3 磨輪試樣

圖4 磨盤(pán)試樣

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論

2.2.1 耐磨性能對(duì)比試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)總體情況

用超音速火焰噴涂WC17Co磨盤(pán)與化學(xué)鍍鎳磨輪構(gòu)成摩擦副1、超音速火焰噴涂WC17Co磨盤(pán)與電刷鍍納米鎳鈷合金磨輪構(gòu)成摩擦副2、原基材磨盤(pán)與外表面鍍鉻磨輪構(gòu)成摩擦副3，對(duì)各摩擦副進(jìn)行耐磨性對(duì)比，驗(yàn)證超音速火焰噴涂WC17Co的可靠性與不同表面狀態(tài)下的耐磨性。［4］

試驗(yàn)設(shè)備:TABER磨損機(jī)。

試驗(yàn)條件:試驗(yàn)載荷1000g，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速70r/min，轉(zhuǎn)數(shù)10000r。磨損試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同表面狀態(tài)磨盤(pán)與磨輪摩擦副試驗(yàn)參數(shù)

(2)試驗(yàn)小結(jié)

從表1可以看出，在試驗(yàn)載荷1000 g，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速70 r/min，轉(zhuǎn)數(shù)10000 r的試驗(yàn)條件下，基材(表面無(wú)涂層)試件的磨損量為0.0560g，化學(xué)鍍鎳試件的磨損量為0.0001g，基材試件的磨損量高于化學(xué)鍍鎳560倍，可見(jiàn)超音速火焰噴涂WC17Co磨盤(pán)與化學(xué)鍍鎳構(gòu)成的摩擦副耐磨狀態(tài)最優(yōu);鍍鉻試件的磨損量為0.0071g，超音速火焰噴涂WC17Co試件的磨損量為0.0006g，鍍鉻摩擦副磨損量高于超音速火焰噴涂11.8倍，可見(jiàn)超音速火焰噴涂WC17Co耐磨性大大高于鍍鉻件。

2.2.2 涂層性能試驗(yàn)

(1)金相

涂層典型微觀形貌見(jiàn)圖5，氧化物均勻分布，無(wú)未熔顆粒，涂層與基體結(jié)合面夾雜的面積不大于視場(chǎng)的10%，碳化物分布均勻，無(wú)帶狀或團(tuán)狀分布;截面無(wú)裂紋;涂層氣孔和氧化物的大小小于視場(chǎng)的1%，符合 ZXJG－BZ05－1－2011檢驗(yàn)規(guī)程。［5］

圖5 涂層典型微觀形貌

(2)彎曲性能

用2塊厚1mm彎曲試樣，超音速火焰噴涂厚度60μm的WC17Co，涂層向外，將試樣繞直徑為12.8mm的金屬棒彎曲成180°角，彎曲部位未出現(xiàn)涂層剝落或與基體的分離。涂層有細(xì)微裂紋，邊角少量剝落，彎曲性能合格。

(3)結(jié)合強(qiáng)度

涂層結(jié)合強(qiáng)度見(jiàn)表2，在大于85 MPa(規(guī)定68.9 MPa)時(shí)，拉伸試樣間膠層脫開(kāi)，而噴涂層結(jié)合良好，無(wú)任何剝離現(xiàn)象，涂層結(jié)合強(qiáng)度合格。

表2 涂層結(jié)合強(qiáng)度

(4)顯微硬度

試樣1和試樣2各取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，最小值不小于1041HV300(規(guī)定950HV300)，顯微硬度合格。

表3 涂層顯微硬度

(5)試驗(yàn)小結(jié)

從以上試驗(yàn)可以看出，超音速火焰噴涂WC17Co涂層金相組織均勻、結(jié)合強(qiáng)度較高，顯微硬度高于鍍鉻層300HV300以上，具有較高的硬度和韌性。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 外筒導(dǎo)軌鍍鉻層損傷修復(fù)

在前期充分進(jìn)行工藝試驗(yàn)和驗(yàn)證基礎(chǔ)上，對(duì)外筒 XX.6160.1.068.900 導(dǎo)軌鍍鉻層損傷進(jìn)行超音速火焰噴涂WC17Co替代鍍鉻應(yīng)用，基本實(shí)施工藝如下:

1)采用平面磨的方法(或噴砂方法)，清除外筒 XX.6160.1.068.900 導(dǎo)軌的磨損層，以消除磨損部位的疲勞層。

2)對(duì)磨損部位采用超音速火焰噴涂WC17Co進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)層至少留出0.3mm的加工余量。

3)采用平面磨方式并配套以專(zhuān)用夾具，用金剛石砂輪對(duì)外筒 XX.6160.1.068.900 導(dǎo)軌進(jìn)行尺寸加工，保證尺寸及導(dǎo)軌對(duì)外筒軸線的位置精度。

3.2 對(duì)應(yīng)配合部位適配性

1)對(duì)于采用超音速火焰噴涂鎢鉻鈷替代鍍鉻的民航飛機(jī)起落架活塞桿，其對(duì)應(yīng)的摩擦件材料設(shè)計(jì)為不銹鋼或鋁青銅，其材料具有韌性和耐磨性較好的特點(diǎn)，實(shí)踐證明它與硬度高、韌性好的鎢鉻鈷涂層構(gòu)成摩擦副具有較好的耐磨性。

2)與超音速火焰噴涂WC17Co涂層導(dǎo)軌對(duì)應(yīng)配合的活塞桿材料為0Cr15Ni5Cu2Ti，由本小節(jié)1)可知，二者構(gòu)成的摩擦副具有良好的適配性，因此對(duì)導(dǎo)槽磨損表面進(jìn)行拋光去毛刺處理，導(dǎo)槽口部應(yīng)倒園角不小于1mm，圓角過(guò)渡應(yīng)光滑。

3)在導(dǎo)槽工作面上涂干性潤(rùn)滑膜10μm～20μm，潤(rùn)滑膜加溫處理后成分可滲入材料近表面，具有良好的干性潤(rùn)滑作用，能減少微震動(dòng)磨損。具有較低的摩擦系數(shù)，較長(zhǎng)的耐磨壽命，良好的涂層力學(xué)性能、耐介質(zhì)性能及優(yōu)良的高低溫性能，其涂膜特性適用于在導(dǎo)軌在干摩擦情況下進(jìn)行收放燃油接受探管。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及裝機(jī)

1)模擬裝機(jī)工作狀態(tài)，對(duì)超音速火焰噴涂WC17Co修復(fù)的外筒導(dǎo)軌與對(duì)應(yīng)配合部位涂覆干性潤(rùn)滑膜的活塞桿導(dǎo)槽摩擦副進(jìn)行磨合試驗(yàn)，用液壓作動(dòng)筒 XX.6160.1.015.000 對(duì)探管活塞桿 XX.6160.1.009.900進(jìn)行20次滿行程的收放轉(zhuǎn)換。

2)對(duì)磨合后的燃油接受探管 XX.6160.5.130.000 進(jìn)行分解，檢查外筒 XX.6160.1.068.900導(dǎo)軌、活塞桿 XX.6160.1.009.900 導(dǎo)槽摩擦表面，導(dǎo)軌摩擦表面無(wú)任何摩擦痕跡，與試驗(yàn)前的6個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行尺寸比較，無(wú)任何磨損現(xiàn)象，見(jiàn)圖6所示。

圖6 修復(fù)前后的導(dǎo)軌

3)燃油接受探管實(shí)施超音速火焰噴涂WC17Co修復(fù)前，飛機(jī)總裝調(diào)試時(shí)多發(fā)生受油頭擺動(dòng)量大故障，受油頭擺動(dòng)量大小直接影響因素是導(dǎo)軌與導(dǎo)槽的間隙，其根本原因是導(dǎo)軌原設(shè)計(jì)的鍍鉻層與基體材料變形不一致，導(dǎo)軌－導(dǎo)槽之間相互移動(dòng)和扭曲力的作用下，導(dǎo)軌和導(dǎo)槽單面接觸，導(dǎo)致受力嚴(yán)重的局部鉻層龜裂剝落，使導(dǎo)軌與導(dǎo)槽間隙變大造成的。通過(guò)對(duì)XX飛機(jī)燃油接受探管進(jìn)行機(jī)上試驗(yàn)和測(cè)量，結(jié)果表明消除了探頭擺動(dòng)，活動(dòng)間隙大等系列故障，驗(yàn)證效果良好。目前修理裝機(jī)共10余架飛機(jī)，外場(chǎng)監(jiān)控結(jié)果表明裝機(jī)使用質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

超音速火焰噴涂WC17Co技術(shù)在國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠首次用于燃油接受探管的特殊修理，解決了主要構(gòu)件批量性嚴(yán)重?fù)p傷、備件難以采購(gòu)的瓶頸問(wèn)題。本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的試驗(yàn)論證和應(yīng)用實(shí)踐表明，超音速火焰噴涂WC17Co涂層硬度高、結(jié)合力強(qiáng)、韌性及耐磨性好;與鍍鉻工藝相比，該技術(shù)實(shí)施過(guò)程中不使用鍍槽，無(wú)槽液污染，更為重要的是，它徹底避免了鍍覆過(guò)程中氫脆的可能。超音速火焰噴涂WC17Co技術(shù)替代鍍鉻工藝具有明顯優(yōu)越性。

［1］路陽(yáng)，丁明輝，等.超音速火焰噴涂研究與應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2011，(19).

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［4］王文舉.航空技術(shù)裝備外場(chǎng)修理［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［5］徐濱士.再制造工程與自動(dòng)化表面工程技術(shù)［J］.金屬熱處理，2008，(1).