鈦合金零件表面超音速火焰噴涂碳化鎢工藝控制

郭初陽，廖發(fā)海，陳 哲，鄒浩彥

(中國人民解放軍駐西安飛機工業(yè)公司軍事代表室，陜西 西安 710089)

近幾年，鈦合金材料借助其優(yōu)越的物理化學性能在工業(yè)制造領域得到了大量的推廣和應用，特別是在航空制造業(yè)，鈦合金材料以其強度高、質量小的優(yōu)勢正逐步替代傳統(tǒng)航空工業(yè)材料。從發(fā)展趨勢來看，鈦合金制品將在諸多制造領域進一步得以利用。超音速火焰噴涂碳化鎢工藝可以使鈦合金零件表面具有耐磨損、抗腐蝕、耐高溫、抗氧化和自潤滑等功能，從而提高鈦合金零件的質量和可靠性，達到延長零件使用壽命的目的。然而，由于鈦合金零件在進行超音速火焰噴涂碳化鎢工藝過程中條件要求比較高，因而應對材料、設備、工藝、環(huán)境、質量和人員等方面進行控制[1-2]。

1 材料控制

為預防零件缺陷，鈦合金材料必須進行入廠檢驗，以確保材料符合要求。主要檢查內容包括材料標識、合格證、試驗情況、規(guī)格、數(shù)量、毛坯件全尺寸和機械性能等。

在鈦合金零件表面超音速火焰噴涂碳化鎢過程中，需要使用的材料見表1。

表1 超音速火焰噴涂碳化鎢工藝材料

2 設備控制

超音速火焰噴涂碳化鎢工藝所用的噴槍必須安裝在自動行走機構上，并能夠準確控制噴槍與噴涂表面的角度、距離以及相對移動速度。工藝實施過程中所用的減壓閥、流量計、壓力表、送粉器和溫度測量儀應進行定期校驗。應使用在線溫度測量儀和速度監(jiān)控裝置，以準確控制噴涂時的火焰流溫度和速度，保證涂層質量的穩(wěn)定性。涂層厚度測量儀的精度應保證厚度測定值與實際厚度之差在±10%以內。噴涂設備應按照設備制造商的要求定期檢查維護。

3 工藝控制

3.1 一般要求

噴涂批生產(chǎn)零件前應編制詳細的工藝文件，并經(jīng)過識別和鑒定。工藝文件中應包括的主要內容見表2，以確保涂層質量符合要求，穩(wěn)定一致。鑒定后的工藝文件中所要求的工藝參數(shù)不能輕易更改，若需更改，必須重新進行鑒定。

表2 工藝文件應包含的主要內容

零件應在完成所有的成型和熱處理操作并清洗后48 h內，開始噴涂操作。不允許采用吹砂的方式對零件進行清理。噴涂前應用薄鐵皮或其他合適的材料對與噴涂區(qū)相鄰的區(qū)域進行保護。對于外形尺寸>500 mm的零件，噴涂前應對待噴涂表面進行預熱，預熱的最高溫度為65.5 ℃。

噴涂期間應采用熱電偶監(jiān)測零件的基體溫度，對旋轉零件進行噴涂時，可以采用紅外線測量基體或涂層溫度代替熱電偶監(jiān)測零件的基體溫度，并在噴涂操作間歇和噴涂周期結束時進行溫度監(jiān)測，零件基體的最高溫度應≤176 ℃。當噴涂區(qū)域的最大尺寸<500 mm時應選取3個測溫點，最大尺寸為500～800 mm時應選取4個測溫點，最大尺寸>800 mm時選取的測溫點應>4個，并且均勻分布。

噴涂操作可定時間歇，以使零件降溫，并用來檢查涂層厚度尺寸，每次中斷應≤10 min。在噴涂操作期間或間歇期間，可以采用吹氮氣、氬氣或壓縮空氣的方法來加速降溫。

噴槍槍口與零件表面之間的距離應恒定地控制在規(guī)定參數(shù)的±6.3 mm范圍內。噴槍火焰流中心線與零件表面之間的角度應盡可能接近90°。噴涂范圍的尺寸公差應為±3 mm。若噴槍噴涂到不允許存在涂層區(qū)域，則應通過噴玻璃丸的方法去除。使用丙酮或丁酮去除零件表面的殘余煙塵或其他殘余物，應戴上白棉手套搬運已清理的表面，并用中性包裝紙進行覆蓋或保護，直至準備開始噴涂。

3.2 工藝流程

超音速火焰噴涂碳化鎢工藝流程如下：表面清理→裝夾保護→噴涂→涂油。

1)表面清理。對于經(jīng)過噴丸的零件，在噴涂前應進行鈍化處理；對于不噴丸的零件，在噴涂前應進行酸洗。

2)裝夾保護。將經(jīng)過清理的零件牢固地安裝在噴涂工作臺上，確保在噴涂過程中相對位置不會發(fā)生變化。裝夾應合理，確保焰流能按要求的角度和距離到達要噴涂的表面，對不需要涂層的零件表面進行保護。

3)噴涂。按經(jīng)過鑒定的工藝文件要求參數(shù)進行噴涂，每次噴槍點火時，按需要使用氫氣作為燃料氣體。

4)涂油。對已噴涂零件涂敷緩蝕性滲透油進行保護，將零件在緩蝕性滲透油中浸漬至少5 min，以確保完全滲透，或在涂層上刷涂緩蝕性滲透油使油液保持至少5 min，用清潔的棉布擦去多余油液，使零件在通風良好的區(qū)域干燥至少1 h。應盡可能在剛完成噴涂的涂層上涂敷緩蝕性滲透油。如果涂層經(jīng)過了機加或研磨，則應重新涂敷緩蝕性滲透油。

用于質量控制的試樣應采用與零件相同的要求進行處理，包括噴丸、表面清理和噴涂等。對于彎曲試樣可以僅采用鈍化處理作為噴涂前的表面清理方式，但彎曲試驗后應用10倍放大鏡檢查彎曲處的涂層。連續(xù)噴涂時，應在生產(chǎn)前進行一次所有質量控制試驗；非連續(xù)噴涂時，應在每次生產(chǎn)前進行一次所有質量控制試驗。噴涂質量控制試驗所用的試樣時，噴槍與噴涂表面之間的角度應采用生產(chǎn)零件時需要使用的最小角度，其他工藝參數(shù)按工藝文件要求執(zhí)行。

4 環(huán)境控制

噴涂系統(tǒng)應安放在通風良好的隔音室內，設備控制系統(tǒng)集中安排在獨立房間內，并注意對設備及時降溫。

用于產(chǎn)品檢驗的場地應與生產(chǎn)場地隔離開，防止成品、在制品、拒收品發(fā)生混淆，場地應干凈、整潔，避免產(chǎn)品在檢驗過程中遭受污染。

應配備檢驗平臺，平臺上應襯有軟墊，且軟墊必須保持清潔。檢驗平臺上應有足夠的照明設備，無論采用天然散射光或無反射光的白色透射光，光照強度≥300 lx。如果采用日光燈照明，只要40 W日光燈距檢驗臺面在500 mm范圍內，則滿足要求。

5 質量控制

5.1 外觀要求

碳化鎢涂層表面應均勻、連續(xù)，無片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡和可見的裂紋，涂層邊緣應無開裂現(xiàn)象。噴涂后，零件表面粗糙度應符合工程圖樣的規(guī)定，當工程圖樣沒有規(guī)定時，表面粗糙度應為Ra3.8 μm或更高等級。零件表面粗糙度應在所有的表面精飾操作完成之后測量。

5.2 厚度要求

碳化鎢涂層厚度應符合工程圖樣的數(shù)值要求。

5.3 返修要求

對于不合格的零件，應退除涂層，在查明原因、有效處置后可以重新進行噴涂。對于經(jīng)過噴丸的零件，只允許返修一次。

5.4 金相檢驗

準備2塊試片(見圖1)，試片材料為TC4(或Ti-6AL-4V)，在一側噴涂200～250 μm厚的涂層，表面粗糙度應為Ra3.8 μm或更高等級。目視或放大10倍檢查噴涂后的試片表面，涂層應符合下列要求：1) 涂層與基體金屬接合良好，涂層邊緣不應出現(xiàn)分離；2) 涂層表面應是均勻、連續(xù)表面，無片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡和可見的裂紋。

圖1 金相檢查試片

截取金相試片(見圖2)，使得切割工具先通過涂層以使涂層產(chǎn)生的損傷最小。將距離端頭至少25 mm處的截面作為金相檢查面，固定試樣截面，并進行金相拋光，然后檢查涂層。

圖2 試片截取方式

涂層應符合表3的要求。其中，硬度是根據(jù)ASTM E384確定的最少10個代表性讀數(shù)計算的最小平均硬度值，氧化物和外來顆粒是所觀察區(qū)域面積上的最大允許百分比，孔隙是在顯微鏡下放大200倍至500倍觀察時總面積上允許的最大百分比，殘留碳化物是所觀察區(qū)域面積上的百分比，結合面粗砂是所觀察區(qū)域面積上允許的最大百分比，界面分離和裂紋是放大200倍至500倍時觀察。

表3 涂層金相檢查的要求

5.5 接合強度試驗

準備5根試棒，材料為TC4(或Ti-6AL-4V)，直徑為25 mm的棒料，噴涂之前按圖3對試棒側面進行保護。已噴涂的試棒應與5個不噴涂的試棒粘接，不噴涂的試棒可以用任何合適的材料制造。采用環(huán)氧膠粘劑進行膠粘，接觸面連接時應將試棒對接直，溢出的膠粘劑用丙酮或丁酮去除，膠粘劑在(176.7±5.5) ℃固化至少1 h，多余的膠粘劑在固化后用240粒度的氧化鋁砂紙打磨去除。膠接的試棒應進行拉伸試驗至拉斷，試驗夾具的中線應與試棒的中線一致，滑塊加載速度應為1.27 mm/min，每個試棒的接合強度應>68.9 MPa。如果因接合面上環(huán)氧樹脂膠粘劑導致接合強度不能滿足最低要求，則應對相同的試棒進行重新試驗。

圖3 接合強度試樣的準備

5.6 彎曲試驗

準備2組試樣(見圖4)，試樣材料為TC4(或Ti-6AL-4V)。按圖5所示進行彎曲試驗，試樣應繞著直徑為12～13 mm的圓柱進行彎曲，彎曲速率約為4°/s，使回彈后達到90°±5°。彎曲后，目視檢查涂層，涂層不應與基體分離且不應在涂層間分離，涂層出現(xiàn)裂紋視為不合格。

圖4 彎曲試樣示意圖

圖5 彎曲試驗示意圖

6 人員控制

鈦合金零件超音速火焰噴涂碳化鎢工藝使用的部分材料具有毒性或腐蝕性，操作人員和檢驗人員應經(jīng)過專業(yè)培訓并持有操作證和培訓證明。操作時，人員必須配備防護用具，操作者必須嚴格按照經(jīng)鑒定的工藝文件要求進行操作，并在相關記錄卡上認真做好原始記錄。檢驗人員負責生產(chǎn)現(xiàn)場的巡回檢查，保證工藝文件的正確執(zhí)行，并在原始記錄上加蓋檢驗印章。