提高300M鋼零件HVOF涂層結(jié)合力的方法

李　博

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

提高300M鋼零件HVOF涂層結(jié)合力的方法

李博

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司 燎原分公司，陜西 漢中 723200)

摘要：在飛機(jī)起落架制造上，超音速火焰噴涂代替鍍硬鉻工藝在中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司燎原分公司的應(yīng)用尚屬國(guó)內(nèi)首次。生產(chǎn)中某型飛機(jī)起落架300M鋼活塞桿零件超音速火焰噴涂WC10Co4Cr后，涂層時(shí)有出現(xiàn)裂紋、起皮、剝落和剝離等結(jié)合力差的現(xiàn)象，成為制約交付的瓶頸因素。通過(guò)對(duì)影響HVOF涂層結(jié)合力的主要因素——表面狀態(tài)、噴涂參數(shù)、噴涂過(guò)程控制(預(yù)熱、噴槍清理及殘余應(yīng)力)及涂層的磨削參數(shù)進(jìn)行分析，總結(jié)出了幾種提高300M鋼零件超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層結(jié)合力的實(shí)用方法，經(jīng)過(guò)實(shí)踐的長(zhǎng)期檢驗(yàn)，其效果顯著。同時(shí)對(duì)涂層結(jié)合力及結(jié)合強(qiáng)度的檢測(cè)方法做了簡(jiǎn)要的介紹。

關(guān)鍵詞：300M鋼；超音速火焰噴涂；結(jié)合力；結(jié)合強(qiáng)度

鍍硬鉻廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架零件耐磨損表面層和損傷表面層的修復(fù)等工作，但是由于鍍硬鉻容易產(chǎn)生鉻層缺陷和氫脆，且電鍍過(guò)程存在產(chǎn)生大量的鉻霧和含鉻廢水，環(huán)境保護(hù)處理周期長(zhǎng)和成本高等缺點(diǎn)；因此，各個(gè)國(guó)家都在尋找鍍硬鉻的替代工藝，超音速火焰噴涂(HVOF)即是根據(jù)這一需要而產(chǎn)生的一項(xiàng)新型鍍覆工藝。 HVOF不但克服了鍍硬鉻工藝的缺點(diǎn)，而且其碳化鎢涂層具有孔隙率小、結(jié)合強(qiáng)度高、硬度高和沉積速率高等優(yōu)點(diǎn)。

在以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家中，HVOF已在航空航天等領(lǐng)域有了較為廣泛的應(yīng)用，并在逐步取代爆炸噴涂和等離子噴涂[1]。國(guó)內(nèi)其在飛機(jī)起落架制造上的應(yīng)用方面，中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司燎原分公司尚屬首次，取得了顯著的成效，后續(xù)研制的其他機(jī)型上均不同程度采用了該工藝；但是，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和加工產(chǎn)品數(shù)量的增加，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也暴露出由于涂層結(jié)合力差而出現(xiàn)的裂紋、起皮、剝落和剝離等缺陷。為此，通過(guò)工藝試驗(yàn)總結(jié)出了一些有利于提高300M鋼活塞桿超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層結(jié)合力的方法。

1工藝試驗(yàn)

1.1噴涂粉末

所選用的噴涂粉末為SM5847(WC10Co4Cr)，利用GSL-100激光粒度分析儀進(jìn)行粒度分析，粒度分布非常好, 且范圍集中，90%在5～30 μm并且顆粒均勻?？梢钥隙? 這種粉末具有非常好的流動(dòng)性，利用Quanta600掃描電鏡(SEM)分析了其形貌(見(jiàn)圖1)。WC10Co4Cr粉末的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

圖1　WC10Co4Cr粉末的SEM像

(%)

1.2試樣

試樣材料為300M鋼，彎曲結(jié)合力試樣規(guī)格為100 mm×25 mm×1 mm，數(shù)量為12根，涂層厚度為25～76 μm；結(jié)合強(qiáng)度試樣規(guī)格為φ25.4 mm×33 mm，數(shù)量為15根，螺紋為M12×1.5，涂層厚度為200～250 μm。

1.3噴涂設(shè)備

噴涂設(shè)備為Sulzer metco HVOF控制系統(tǒng)，配備ARC Mate 120IB(FANUC機(jī)器人)和Woka-star600型噴槍。

1.4工藝流程

工藝流程為：噴前準(zhǔn)備→試樣清洗、測(cè)量→試樣噴砂→檢驗(yàn)→試樣噴涂→試樣檢測(cè)→檢驗(yàn)→零件噴前檢查→零件清洗→零件噴砂保護(hù)→零件噴砂→檢驗(yàn)→零件噴涂保護(hù)→零件噴涂→檢驗(yàn)→機(jī)加磨削→涂層測(cè)厚。

1.5涂層性能檢測(cè)

1.5.1彎曲結(jié)合力

彎曲結(jié)合力試驗(yàn)是定性檢測(cè)涂層結(jié)合力及柔韌度的一種方法。

1)將噴涂符合要求的試樣繞直徑為12.7～13 mm的鋼棒彎曲成180°夾角，涂層面向外，彎曲速度約為10°/s。

2)目視檢查彎曲部位(見(jiàn)圖2)，不應(yīng)出現(xiàn)涂層剝落或剝離情況。涂層開(kāi)裂和邊角出現(xiàn)少量剝落應(yīng)視為合格。

圖2　彎曲試驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

1.5.2結(jié)合強(qiáng)度

結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)是定量檢測(cè)涂層與基體結(jié)合牢固程度的一種方法。采用膠接法進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn), 粘接劑為E-7膠。

1)按GB/T 8642《熱噴涂抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定》制備3個(gè)結(jié)合強(qiáng)度試樣并進(jìn)行測(cè)試。

2)涂層結(jié)合強(qiáng)度>70 MPa為合格。如果出現(xiàn)<70 MPa的膠斷，則應(yīng)重新膠粘試樣并重新測(cè)試；如果出現(xiàn)<70 MPa的涂層破壞，則視為不合格。

2影響300M鋼零件HVOF涂層結(jié)合力的主要因素

2.1表面狀態(tài)

1)表面光潔度。零件表面如果有污垢，如氧化皮、油漬、油漆及其他污物，在噴涂時(shí)會(huì)導(dǎo)致污垢處涂層無(wú)法沉積、沉積疏松或臨近的區(qū)域涂層不完整等。

2)表面粗糙度。粗化處理的目的是增加涂層與基材間的接觸面, 增大涂層與基材的機(jī)械咬合力，使凈化處理過(guò)的表面更加活化，以提高涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度。W.A.Gonzalez-Hermqsilla等研究了基體表面粗糙度對(duì)涂層結(jié)合力的影響，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度對(duì)涂層與基體間結(jié)合力影響巨大。提高基體表面粗糙度能夠顯著提高涂層與基體間的結(jié)合力[2]。對(duì)大多數(shù)金屬材料來(lái)說(shuō)，噴涂前表面粗糙度為Ra(2.5～13) μm即可。

2.2噴涂過(guò)程

1)工序安排。對(duì)于既有噴涂又有鍍鉻要求的零件，如果先進(jìn)行噴涂后進(jìn)行鍍鉻，也就意味著HVOF涂層要長(zhǎng)時(shí)間浸入在酸性的鍍鉻槽液中并伴隨整個(gè)電鍍過(guò)程。大量試驗(yàn)表明，這樣做會(huì)導(dǎo)致涂層的結(jié)合強(qiáng)度下降1～3 MPa。

2)預(yù)熱。預(yù)熱能夠消除零件表面的水分和濕氣，提高噴涂粒子與零件接觸時(shí)的界面溫度，提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)，也能減少因基材與涂層材料的熱膨脹差異造成的應(yīng)力而導(dǎo)致的涂層開(kāi)裂。

3)噴涂參數(shù)。預(yù)處理好的零件應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行噴涂，噴涂參數(shù)應(yīng)根據(jù)涂層材料、噴槍性能和零件的具體情況而定，優(yōu)化的噴涂參數(shù)可以提高噴涂效率，并獲得致密度高和結(jié)合強(qiáng)度高的涂層。

4)噴槍的累計(jì)工作時(shí)間。煤油和氧氣在燃燒室內(nèi)混合后點(diǎn)燃，在噴槍內(nèi)部燃燒，并產(chǎn)生高度膨脹。煤油內(nèi)雜質(zhì)會(huì)不同程度地與氧和碳在高溫作用下發(fā)生反應(yīng)，形成不易熔化的氧化物及碳化物，并隨著時(shí)間的增加，殘留在噴槍內(nèi)部，形成結(jié)瘤。當(dāng)噴槍內(nèi)產(chǎn)生高速燃?xì)饬鲿r(shí)，不可避免地將殘留雜質(zhì)攜帶，撞擊基體表面，形成較嚴(yán)重的界面污染和大量的孔洞。經(jīng)磨削后，涂層宏觀上表現(xiàn)為針眼和氣孔等缺陷。同時(shí)，大量試驗(yàn)表明，若不能及時(shí)更換噴嘴或清理燃燒室，會(huì)影響涂層的結(jié)合力，導(dǎo)致結(jié)合強(qiáng)度降低。噴槍不同累計(jì)工作時(shí)間下試樣的結(jié)合強(qiáng)度如圖3所示。

圖3　噴槍不同累計(jì)工作時(shí)間下試樣的結(jié)合強(qiáng)度

5)殘余應(yīng)力。一般熱噴涂涂層殘余應(yīng)力隨著噴涂顆粒溫度的升高而增大，隨著噴涂顆粒飛行速度的增大而減小。由于HVOF噴涂顆粒的飛行速度可達(dá)到1 500 m/s，而溫度一般只有3 000 ℃左右，所以HVOF噴涂的WC10Co4Cr涂層的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，其大小主要取決于涂層材料、噴涂工藝和涂層厚度等因素。研究表明，殘余應(yīng)力是導(dǎo)致熱噴涂涂層產(chǎn)生開(kāi)裂、剝離和脫落等失效形式的主要原因之一。

2.3后處理

1)磨削。一般超音速火焰噴涂的原始涂層表面粗糙度及均勻性都不能滿足設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)通過(guò)磨削來(lái)保證。涂層磨削是利用高速旋轉(zhuǎn)的金剛石砂輪，通過(guò)粗磨和精磨加工零件表面的過(guò)程，其尺寸精度可達(dá)到IT8～I(xiàn)T5，表面粗糙度Ra(1.25～0.40) μm。對(duì)于涂層磨削而言，合理控制磨削參數(shù)至關(guān)重要，其可以有效防止零件表面燒傷及熱應(yīng)力變形，杜絕表面裂紋和涂層崩裂等缺陷的產(chǎn)生。

2)磨削應(yīng)力。磨削表面殘余應(yīng)力主要影響材料的尺寸穩(wěn)定性、疲勞強(qiáng)度、力學(xué)性能和物理性能等。在磨削過(guò)程中，零件表面在切削力和切削熱的作用下，也會(huì)產(chǎn)生不同程度的塑性變形和金屬組織變化引起的體積改變，從而使零件工作表面產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。如不及時(shí)消除，將影響材料的尺寸穩(wěn)定性和涂層的結(jié)合力。

3提高300M鋼零件HVOF涂層結(jié)合力的主要方法

3.1保證前處理質(zhì)量

1)除油。零件表面是否潔凈可以通過(guò)30 s水膜連續(xù)性試驗(yàn)進(jìn)行檢查、判定，即零件在<35 ℃的清潔冷水中，經(jīng)過(guò)噴淋或浸漬漂洗之后，以至少在30 s內(nèi)保持水膜連續(xù)不破裂為合格。試驗(yàn)表明，對(duì)于零件表面的輕微油污采用丙酮和無(wú)水酒精進(jìn)行擦洗，不僅簡(jiǎn)便易行而且成本較低、效果較好；對(duì)于零件表面的嚴(yán)重油污，嚴(yán)格按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用三氯乙烯進(jìn)行蒸氣除油即可。

2)吹砂。300M鋼零件表面不同程度地覆蓋著一薄層氧化皮，采用吹砂或打磨的方法對(duì)噴涂表面進(jìn)行預(yù)處理，可以達(dá)到活化噴涂表面，有效排除氧化皮，增強(qiáng)涂層與基體結(jié)合力的目的。通過(guò)試驗(yàn)摸索出采用直徑為0.3～0.8 mm的氧化鋁，按參數(shù)風(fēng)壓0.4～0.5 MPa，噴砂距離150～200 mm，噴砂槍移動(dòng)速度1 000 mm/min，零件旋轉(zhuǎn)速度150 r/min進(jìn)行干吹砂，并控制吹砂到電鍍的時(shí)間間隔≤2 h及噴涂面的表面粗糙度為Ra(3.0～3.8) μm時(shí)，涂層質(zhì)量最佳。

3.2噴涂過(guò)程

1)工序安排。對(duì)于既有噴涂要求又有鍍鉻要求的零件工序安排，要求先鍍鉻后進(jìn)行噴涂，杜絕了槽液及鍍鉻對(duì)涂層結(jié)合力的影響。

2)預(yù)熱。采用噴槍(不送粉)對(duì)零件噴涂表面進(jìn)行預(yù)熱，其溫度取決于零件的大小、形狀和材質(zhì)，以及基材和涂層材料的熱膨脹系數(shù)等因素，例如某型號(hào)300M鋼活塞桿的最佳預(yù)熱溫度為50～60 °C。

3)采用優(yōu)化的工藝參數(shù)。參照試樣的噴涂并根據(jù)零件待噴涂外表面直徑進(jìn)行計(jì)算，確定零件噴涂的具體參數(shù)并優(yōu)化后用于零件的噴涂。某型號(hào)300M鋼活塞桿噴涂工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　某型號(hào)300M鋼活塞桿噴涂工藝參數(shù)

4)定期維護(hù)噴槍。建立噴槍工作時(shí)間記錄制度，累計(jì)工作滿8 h則檢查噴槍噴嘴的積瘤和燃燒室的積碳情況，按需要及時(shí)更換噴嘴或清理燃燒室，確保噴槍始終處于良好工作狀態(tài)。

5)控制殘余應(yīng)力。采用Almen N型殘余應(yīng)力測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，該方法具有很好的重復(fù)性和可靠性，能有效地控制和檢測(cè)超音速火焰噴涂殘余應(yīng)力的大小。某型號(hào)300M鋼活塞桿涂層厚度為100～150 μm，涂層的殘余應(yīng)力弧高值控制為150～380 μm。

3.3后處理

1)優(yōu)化磨削參數(shù)。采用220#金剛石樹(shù)脂砂輪，通過(guò)大量的工藝試驗(yàn)總結(jié)出某型號(hào)300M鋼活塞桿零件HVOF涂層磨削的最佳參數(shù)(見(jiàn)表3)；同時(shí)，在磨削過(guò)程中，冷卻液的噴嘴應(yīng)調(diào)節(jié)到使磨輪表面與零件的觸點(diǎn)上直接接受滿口徑液流冷卻。

表3　300M鋼活塞桿零件HVOF涂層磨削工藝參數(shù)

2)增加回火。參考HB/Z 318—1998《鍍覆前消除應(yīng)力和鍍覆后除氫處理》，規(guī)定300M鋼零件在HVOF涂層磨削后，在(190±10) ℃時(shí)，除氫時(shí)間≥4 h。

4結(jié)語(yǔ)

1)影響300M鋼活塞桿HVOF涂層結(jié)合力的主要因素為表面狀態(tài)、噴涂參數(shù)、噴涂過(guò)程控制(預(yù)熱、噴槍清理及殘余應(yīng)力)及涂層的磨削參數(shù)等，另外，噴涂設(shè)備、噴涂材料和操作者的技能等對(duì)涂層結(jié)合力的影響也不容忽視。

2)通過(guò)控制前處理質(zhì)量和噴涂過(guò)程，采用優(yōu)化的噴涂和磨削參數(shù)及增加磨削回火，提高操作者的技能等來(lái)提高300M鋼零件HVOF涂層的結(jié)合力。

3)電鍍鉻工藝雖然對(duì)環(huán)境有一定的污染，但由于HVOF 噴涂工藝目前還不能在某些復(fù)雜型面及內(nèi)孔實(shí)施，所以在今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)電鍍鉻將仍然與HVOF噴涂同時(shí)并存和發(fā)展，但所占份額會(huì)越來(lái)越少。

參考文獻(xiàn)

[1] 王志平，董祖鈺，霍樹(shù)斌，等．超音速火焰噴涂涂層特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37(11)：96-98.

[2] 馬壯，曹素紅，王富恥，等．基體表面粗糙度對(duì)HVOF噴涂WC-Wo粒子變形的影響[J]．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(26)：371.

責(zé)任編輯鄭練

西門(mén)子全新加熱控制系統(tǒng)可集成于自動(dòng)化系統(tǒng)

西門(mén)子推出全新加熱控制系統(tǒng)，可用于開(kāi)關(guān)和控制工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的加熱元件，包括適用于230 V電網(wǎng)的SIPLUSHCS4200和適用于400 V/480 V電網(wǎng)的SIPLUSHCS4300。采用小巧的模塊化、緊湊式設(shè)計(jì)，這些分布式I/O系統(tǒng)適用于特定應(yīng)用需求。其工業(yè)加熱過(guò)程可集成于TIA博途(TIAPortal)中，從而簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高效診斷和參數(shù)設(shè)置。西門(mén)子提供的加熱控制系統(tǒng)在全球各行業(yè)被廣泛應(yīng)用，例如用于塑料和輕型建筑材料成型、塑焊和薄膜擠出成型等領(lǐng)域，幫助油漆和涂料快速干燥。這種新型加熱控制系統(tǒng)可以高效地控制加熱元件并避免網(wǎng)絡(luò)中瞬時(shí)電流尖峰，從而幫助企業(yè)降低能耗。新系統(tǒng)的模塊化結(jié)構(gòu)和可集成功能使其比采用單獨(dú)零部件的常規(guī)加熱解決方案所占用電柜空間減少80%，并且更方便布線。SIPLUSHCS加熱控制系統(tǒng)將開(kāi)關(guān)元件和熔絲等各種零部件及Profinet通信、電路通斷控制機(jī)制和診斷等功能集成在1臺(tái)緊湊式裝置中，改善了加熱過(guò)程，并能縮短故障時(shí)間，避免停工。例如，加熱控制系統(tǒng)中全面、詳盡的診斷功能有助于用戶快速發(fā)現(xiàn)并查明加熱過(guò)程中的問(wèn)題，如熱源故障或輸入及輸出熔絲熔斷等，診斷數(shù)據(jù)將通過(guò)Profinet報(bào)告至中央系統(tǒng)控制器。

——摘自中國(guó)機(jī)床網(wǎng)

Methods for Improving Adhesion of HVOF Spraying Coatings on 300M Steel Parts

LI Bo

(Liaoyuan Branch, AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Co., Ltd, Hanzhong 723200, China)

Abstract:It is the first application in China that replacing the process of hard chrome plating with HVOF spray to landing gear manufacture in LAMC. The phenomena of cracking，blistering，skinning, flakeing and peeling happen sometimes on coatings after HVOF spraying WC10Co4Cr on 300M piston rod of landing gear for a type of aircraft, which bottlenecks the product delivery. The paper discussed methods for improving adhesion of HVOF WC10Co4Cr coatings on 300M steel parts through analyzing main factors which affect the adhesion, such as surface conditions，spray parameters， process control during spraying(warm-up, spray gun cleaning and residual stress) and analysis of parameters from coating grinding. These methods are effective by long time validation. At the same time, the methods of detecting the coating bonding force and bonding strength were briefly introduced.

Key words:300M steel, HVOF, bonding force, bonding strength

收稿日期：2014-05-30

作者簡(jiǎn)介：李博(1969-)，男，高級(jí)工程師，主要從事飛機(jī)起落架生產(chǎn)過(guò)程中表面處理工藝等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TQ 153.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B