火焰噴涂絲材耐磨涂層工藝研究

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摘 要：在熱噴涂技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，涂層與基體的質(zhì)涂過程程中結(jié)合是最為關(guān)心的問題之一，因?yàn)橥繉优c基體結(jié)合力的高低直接影響到涂層的應(yīng)用?；鹧鎳娡挎囦X絲/13%鉻鋼絲涂層是一種飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)軸間耐磨硬涂層，用于400℃以下溫度范圍內(nèi)抗磨粒、硬面、微動(dòng)磨損、極為耐磨和抗氧化，在國外的發(fā)動(dòng)機(jī)上已廣泛應(yīng)用。對(duì)氧化物和未熔顆粒的金相組織要求極為嚴(yán)格，同時(shí)火焰噴絲設(shè)備屬于企業(yè)新引進(jìn)設(shè)備，需要調(diào)整氧氣與乙炔流量的匹配性、送絲速率的大小、噴涂距離和壓縮空氣的流量，來確保噴涂零件合格率。

關(guān)鍵詞：絲材火焰噴涂；耐磨涂層；工藝研究

引言：本文主要研究某系列發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)軸內(nèi)表面也要求噴涂該涂層，設(shè)計(jì)要求涂層厚度為底層鎳鋁絲0.07-0.13mm，面層鉻鋼絲0.43-0.68mm。用金屬類耐磨涂層代替通常的陶瓷耐磨涂層，且用鎳鋁絲做底層，涂層的結(jié)合性更好，可以避免陶瓷類涂層因?yàn)榇嗔言斐傻耐繉觿兟鋯栴}。同時(shí)還要使涂層硬度、金相組織中的氧化物、未熔顆粒及孔洞達(dá)到相關(guān)要求。通過調(diào)整噴涂角度、主氣與次氣的流量、送絲速率的大小，保證噴涂零件合格率，解決生產(chǎn)的急需。

一、試驗(yàn)材料及流程

1.材料方面

采用進(jìn)口的METCO405NS鎳鋁絲及METCOLOY 2#鉻鋼絲材料。

1.1鎳鋁涂層其基體界面的污染小于20%，并且不允許有裂紋，另外，對(duì)于氧化物的要求是不超過20%，并且球形氧化物直徑不允許超過100μm；片層狀氧化物長(zhǎng)度不得超過400μm且20mm視場(chǎng)內(nèi)不允許超過3處；簇狀氧化物直徑不得超過150μm且相距不得小于10mm；連續(xù)的條狀和密集氧化物區(qū)域大于500μm則不可接受?？紫堵室w小于20%，并且單個(gè)孔隙直徑不得大于100μm。未熔物要小于20%且分散，其直徑小于60μm。但對(duì)于某些直徑小于150μm且相距超過1mm的單個(gè)未熔顆?？梢越邮堋?duì)于其他特性的要求是總孔隙率和未熔物不得超過40%。結(jié)合強(qiáng)度要在2500Psi左右。

1.2對(duì)于鉻鋼絲涂層：基體界面污染：小于20%，并且不允許有裂紋存在，另外對(duì)于氧化物的要求是，不能超過20%的含量，并且直徑不大于100μm。簇狀氧化物不超過200μm且距離超過10mm；不允許有超過200μm的條狀或簇狀氧化物；孔隙率要小于20%且直徑小于150μm；未熔物要小于20%且是分散開的，直徑小于150μm；宏觀硬度要最小Rc33或HR15N70。

2.設(shè)備方面

采用的火焰噴絲設(shè)備是Sulzer Metco 6C-5K（瑞士美科制造）；吹砂機(jī)的型號(hào)是MACHINE MC 1000 Ti；另外烘箱DFH型，在0～300℃溫度范圍內(nèi)可調(diào)；表面洛氏硬度計(jì)是TH310型；顯微硬度機(jī)是FM-ARS9000；拉力機(jī)是型號(hào)是AG-250KNE。

二、涂層制備工藝流程：

根據(jù)對(duì)火焰噴絲涂層的制備試驗(yàn)，以及該涂層的特殊性能，另外根據(jù)對(duì)鎳鋁絲/鉻鋼絲涂層的制備實(shí)驗(yàn)，我們確定試樣噴涂工藝流程如下：

噴涂前準(zhǔn)備→清洗→保護(hù)→吹砂→噴涂（數(shù)據(jù)積累）→清理→性能測(cè)試→試驗(yàn)件噴涂及加工

1.噴涂前準(zhǔn)備

按規(guī)格準(zhǔn)備相應(yīng)試樣，準(zhǔn)備好試樣噴涂夾具。

2.清洗

用毛刷蘸丙酮對(duì)試樣進(jìn)行仔細(xì)的刷洗，徹底除去試樣表面上的油污和其它雜物。試樣除油后用干凈的壓縮空氣吹干。

3.吹砂前保護(hù)

用耐高溫膠帶保護(hù)好試樣的非吹砂表面及少部分噴涂區(qū)域（便于測(cè)量試樣和涂層的厚度），一定要確保非吹砂表面不受損傷；耐高溫膠帶不得遮蔽吹砂表面。

4.吹砂

吹砂機(jī)具有可調(diào)風(fēng)壓氣源的功能，并配有油水分離器。依據(jù)設(shè)計(jì)要求和噴涂試驗(yàn)優(yōu)選出吹砂參數(shù)；具體要求是：吹砂后的試樣表面應(yīng)是均勻無金屬光澤的粗糙表面，不允許有漏吹或過吹現(xiàn)象；吹砂后的試樣表面應(yīng)保持良好的清潔狀態(tài)，避免吹砂表面污染，將試樣表面的浮灰用經(jīng)過油水分離器過濾的、潔凈的壓縮空氣吹干凈；吹砂后的試樣要求在2 h內(nèi)進(jìn)行噴涂，如果超過規(guī)定的時(shí)間，必須進(jìn)行重新吹砂。

5.噴涂是在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)火焰噴涂鎳鋁絲/鉻鋼絲。這需要注意的是試片的噴涂角度與噴涂距離應(yīng)與零件的噴涂保持一致。并用干凈的壓縮空氣將試片表面的浮灰清除，并固定在專用夾具上。要用不同的參數(shù)對(duì)試片進(jìn)行噴涂，注意噴涂角度和走槍速度。還要安裝冷卻裝置，調(diào)整冷卻樹的距離與風(fēng)壓。并且在噴涂過程中，應(yīng)采用間歇、多次噴涂的方法，每次噴涂間斷時(shí)間為20秒，保持試片在噴涂過程中溫度均衡，有利于避免涂層產(chǎn)生裂紋。

6.涂層性能評(píng)價(jià)

經(jīng)過上述工藝流程制備出的試片需要做金相、硬度等性能測(cè)試來對(duì)涂層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過評(píng)價(jià)得出了兩張金相底面層孔隙率小于20%，氧化物彌散且不存在大團(tuán)簇狀氧化物，未熔物小于20%，涂層組織合格；硬度測(cè)試采用的試驗(yàn)材料主要是低碳鋼，其試樣規(guī)格是40×20×2mm，涂層厚度實(shí)測(cè)值為 0.12mm（底層）/0.62 mm（面層），硬度測(cè)試結(jié)果為五點(diǎn)HR15N：72.3 ，75.7 ，73.1，75.9，80.5，平均值75.5，結(jié)論：合格。彎曲測(cè)試：試樣材料是低碳鋼，試樣規(guī)格是75×50×1.2mm；底/面層彎曲后裂紋均少于標(biāo)準(zhǔn)照片所示，彎曲試驗(yàn)合格。結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下，其試樣材料是低碳鋼；試樣規(guī)格是φ25×（5-6）mm，涂層厚度實(shí)測(cè)值為0.27mm，要求結(jié)合強(qiáng)度不小于2055psi，實(shí)測(cè)值為3315psi，3260psi和3274psi，結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)合格。

6.1通過得出的結(jié)果討論與分析：送絲速率對(duì)涂層性能的影響，通過對(duì)四組情況進(jìn)行分析得出涂層存在未熔顆粒和大孔洞，同時(shí)涂層的顯微硬度和宏觀硬度沒達(dá)到要求，并且有的涂層硬度均達(dá)到要求，并且有的底層氧化物超標(biāo)，另外噴涂過程中出現(xiàn)回火現(xiàn)象。75%的試樣硬度合格，金相組織中少有氧化物和大的未熔顆粒，噴涂過程中噴槍狀態(tài)穩(wěn)定，故選用底層送絲188，面層送絲221的噴涂參數(shù)。

6.2噴涂的距離的優(yōu)選

通過對(duì)硬度值可以看出，對(duì)于值高的，應(yīng)該把噴涂距離控制在325mm左右。噴涂距離過遠(yuǎn)粉末的飛行速度與溫度都有所下降，使涂層的結(jié)合力和硬度受到影響。距離過近，粉末的飛行時(shí)間過短，粉末粒子沒有完全熔化同樣影響涂層的性能。

三、結(jié)論

經(jīng)過多次試驗(yàn)優(yōu)化出的工藝參數(shù)和工藝方法噴涂的試片，各項(xiàng)性能能夠滿足設(shè)計(jì)需要；編制出臨時(shí)工藝規(guī)程指導(dǎo)生產(chǎn)部門噴涂了零部件，噴涂后涂層狀態(tài)良好；涂層加工后，符合設(shè)計(jì)要求，可以投產(chǎn)使用。通過對(duì)火焰噴絲的噴涂噴涂試驗(yàn)，該涂層各項(xiàng)性能指標(biāo)也符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語：通過以上實(shí)驗(yàn)可知，為了適應(yīng)噴涂發(fā)展的需要，人們一直在用某些組元之間噴涂時(shí)能產(chǎn)生放熱反應(yīng)的材料，目的是提高粒子的溫度，從而改善涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。另外，材料表面熱噴涂耐磨涂層已被廣泛證明是切實(shí)可行的方法，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的問題，例如與基體結(jié)合力不足導(dǎo)致剝落、殘余應(yīng)力過大導(dǎo)致的開裂和剝落、涂層硬度不高而快速磨損或涂層韌性較差而發(fā)生脆斷等，這些都制約著熱噴涂涂層在耐磨領(lǐng)域的應(yīng)用。今后的發(fā)展應(yīng)在改進(jìn)熱噴涂工藝、開發(fā)新的熱噴涂材料、深化熱噴涂理論研究等方面繼續(xù)努力，使熱噴涂技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)方面發(fā)揮更大、更好的作用。

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