鋁合金花鍵表面耐磨處理方法分析與驗(yàn)證

胡 超，朱卓宇，鐘建鋒，2

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002；2.直升機(jī)傳動技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412002）

0 引言

某型機(jī)槳距操縱桿是安裝在直升機(jī)減速器內(nèi)部，通過尾伺服系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動改變尾槳距的關(guān)鍵零件。其輸入端與助力器操縱桿相連，輸出端與叉形件相連，中部通過浮動花鍵的方式和尾槳軸相連，槳距操縱桿花鍵主要參數(shù)見表1。

該型機(jī)槳距操縱桿首次采用2618A 鋁合金材料（標(biāo)準(zhǔn)為ASNA3357）。該鋁合金與鋼材料相比密度小，能減輕約2 kg 的重量；但缺點(diǎn)是硬度低，耐磨性差。在首次飛行176 h 后，發(fā)現(xiàn)槳距操縱桿花鍵外表面出現(xiàn)嚴(yán)重接觸磨損（圖1）。

表1 槳距操縱桿花鍵主要參數(shù)

圖1 槳距操縱桿花鍵表面磨損情況

根據(jù)檢查結(jié)果，在花鍵工作面和非工作面上發(fā)現(xiàn)長（40～70）mm 的拉痕，磨損深度最高達(dá)0.14 mm，而與之相配的尾槳軸內(nèi)花鍵工作正常。分析槳距操縱桿花鍵磨損原因，是由于槳距操縱桿材料為2618A 鋁合金（硬度為120 HV 左右），而尾槳軸材料為15-5PH 鋼（硬度320 HV 左右），這兩種材料硬度差距較大，在飛行過程中，由于槳距操縱桿往復(fù)運(yùn)動，造成其外花鍵磨損。

由于槳距操縱桿花鍵處磨損情況嚴(yán)重，將會影響到減速器的翻修間隔期，因此必須解決外花鍵磨損問題。而槳距操縱桿的取證試驗(yàn)已完成，如改材料將導(dǎo)致增加重量，重新試驗(yàn)等問題。因此最經(jīng)濟(jì)便捷的方法就是對花鍵增加表面處理，在滿足花鍵精度要求的前提下提高其表面硬度及耐磨性能。

1 鋁合金表面處理方法

能提高鋁合金表面硬度和耐磨性的表面處理方式有噴砂、硬質(zhì)陽極化、電鍍、微弧氧化、等離子噴涂碳化鎢、化學(xué)鍍鎳等，由于該槳距操縱桿花鍵齒形公差要求較高，這些處理方式中能用于復(fù)雜表面且能較大程度提高硬度和耐磨性能的有微弧氧化、等離子噴涂碳化鎢、化學(xué)鍍鎳等。

1.1 等離子噴涂碳化鎢技術(shù)

等離子噴涂技術(shù)是繼火焰噴涂后發(fā)展起來的一種新型多用途的噴涂方法，具有溫度高，能量集中，弧穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

碳化鎢（WC）具有很好的噴涂性和耐磨性，是等離子噴涂技術(shù)中常用噴涂材料，利用等離子噴涂技術(shù)對鋁合金進(jìn)行噴涂碳化鎢，能提高鋁合金表面硬度達(dá)1000 HV 以上，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，如薄壁鋁制傾斜器導(dǎo)筒等。其膜層性能：耐磨性涂層厚度（50～150）μm；硬度（1150～1300）HV；結(jié)合力強(qiáng)度一般＞70 MPa；涂層粗糙度Ra（3～5）μm 不等，經(jīng)過磨削加工后涂層的光潔度可以達(dá)到Ra（0.1～0.5）μm；工作溫度可達(dá)500 ℃；耐腐蝕性好；涂層不均勻度≤10%；通過磨削后加工進(jìn)一步提高涂層均勻度。

利用等離子噴涂技術(shù)對鋁合金進(jìn)行噴涂碳化鎢（WC），前處理十分簡單，僅需除油脫脂處理，噴涂時對不噴涂部位作遮擋保護(hù)，噴涂后需對噴涂部位進(jìn)行磨削加工，以保證涂層的光潔度。

1.2 微弧氧化法

微弧氧化是一種在有色金屬表面原位生長陶瓷膜的高新技術(shù)[2，3]。該技術(shù)能使表面氧化層在微等離子體的作用下，使非晶結(jié)構(gòu)的Al2O3 轉(zhuǎn)變成A2Al2O3 和C2Al2O3[4]。微弧氧化生長的陶瓷膜致密，與基體結(jié)合力強(qiáng)、尺寸變化小[5]。其膜層性能：防腐膜厚度（20～50）μm，耐磨性膜層為（60～150）μm；厚度越大涂層越疏松，使用前需將疏松層打磨掉；普通鋁合金氧化后硬度（800～1200）HV，硬鋁氧化后為（900～1500）HV；結(jié)合力一般＞100 MPa；氧化膜粗糙度Ra（1.5～5）μm；需作后續(xù)打磨處理，以增加表面光潔度；涂層不均勻度≤10%；通過磨削加工后可進(jìn)一步提高涂層均勻度。

鋁合金微弧氧化前僅需作簡單除油脫脂處理，氧化后需對氧化膜進(jìn)行封閉、拋光等后續(xù)處理，使氧化膜的耐腐蝕性與表面光潔度達(dá)到所需要求。

1.3 化學(xué)鍍鎳法

化學(xué)鍍鎳是不通電的情況下，在特定的鍍液中，于一定條件下使金屬離子被還原劑還原，最終沉淀到固態(tài)基體表面上形成鎳鍍層的過程。按鍍層的成分分類，化學(xué)鍍鎳有鎳磷、鎳硼、鎳硼佗和顆粒增強(qiáng)鍍層4 種。其中鎳磷鍍層工藝相對簡單且性能較好，一般化學(xué)鍍鎳采用鎳磷鍍層，其膜層性能如下：厚度（20～50）μm；硬度（450～550）HV，經(jīng)熱處理后可達(dá)（950～1050）HV；結(jié)合強(qiáng)度＞300 MPa；表面光潔度一般為Ra0.4 μm；鍍后一般都不需再作磨削加工；鍍層厚度均勻，化學(xué)鍍液的分散程度接近100%。

2 表面處理方法對比分析及結(jié)論

對三種鋁合金表面處理方法進(jìn)行比較，并針對某型槳距操縱桿花鍵表面實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行分析。

（1）等離子噴涂碳化鎢法得到的鍍層硬度高（＞1000 HV），但該方法利用粒子高速運(yùn)動附著與目標(biāo)表面，而槳距操縱桿花鍵處存在圓倒角，因此在噴涂時會導(dǎo)致該圓角處的噴涂效果低于其他部位。另外由于槳距操縱桿花鍵粗糙度要求為Ra 1.6，因此使用此方法需對涂層進(jìn)行磨削加工以滿足粗糙度要求，而涂層硬度高，將加大加工難度。

（2）微弧氧化法得到的鍍層硬度高（＞800 HV），且其得到的鍍層均勻，但此方法得到的鍍層包括（20～50）μm 的防腐膜層及（60～150）μm 的耐磨膜層，須進(jìn)行打磨拋光處理提高粗糙度，同樣增加了二次加工的難度。

（3）化學(xué)鍍鎳法得到的鍍層均勻致密，結(jié)合力強(qiáng)，所得鍍層硬度較高（＞400 HV），且其厚度可由鍍鎳時間來控制，鍍后可滿足該槳距操縱桿花鍵的外形及精度要求，無需再對花鍵進(jìn)行再加工處理。

通過綜合對比分析，從鍍層硬度上來講，三種方法得到的鍍層硬度大于15-5PH 鋼的硬度，均滿足所需硬度要求。從對鍍層的厚度、光潔度等影響精度的因素上來講，等離子噴涂碳化鎢法和微弧氧化法得到的鍍層光潔度不高，需進(jìn)行磨削加工后才能滿足要求，而鍍層硬度很高，花鍵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在滿足精度的條件下進(jìn)行再加工十分困難；化學(xué)鍍鎳法則無需進(jìn)行二次加工，因此化學(xué)鍍鎳法是最適合提高該型機(jī)槳距操縱桿花鍵表面耐磨能力的表面處理方法。

3 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

選用化學(xué)鍍鎳法對該槳距操縱桿花鍵進(jìn)行表面處理，并隨直升機(jī)飛行800 h 后分解檢查發(fā)現(xiàn)，該花鍵表面僅有輕微摩擦痕跡（無深度），未發(fā)現(xiàn)磨損或劃痕（圖2）。因此，經(jīng)實(shí)際飛行驗(yàn)證，選用化學(xué)鍍鎳法可有效解決鋁合金花鍵磨損問題。

圖2 隨機(jī)飛行800 h 后花鍵表面情況

4 結(jié)束語

針對該型機(jī)槳距操縱桿花鍵處嚴(yán)重磨損的實(shí)際情況，對三種可行的鋁合金表面處理方法進(jìn)行綜合對比，分析出最適合該型機(jī)槳距操縱桿花鍵處的表面處理方法——化學(xué)鍍鎳法，可為類似鋁合金花鍵表面耐磨處理提供參考和依據(jù)。隨著航空事業(yè)的發(fā)展和對化學(xué)鍍鎳認(rèn)識的逐步深入，化學(xué)鍍鎳技術(shù)在國內(nèi)航空工業(yè)中的應(yīng)用必將不斷成熟。