熱噴涂NiCrFeMo 涂層再修復(fù)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用研究

張眸睿，李長銀，王奇峰，劉禮祥，呂晶晶

（1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽110043）（2.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)院，北京100191）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過一個(gè)壽命的使用周期后，部分零件會存在一定程度的磨損，直接報(bào)廢更換新件會增加發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本，再制造技術(shù)應(yīng)用而生，通過采用涂層對發(fā)生磨損部件進(jìn)行修復(fù)，從而恢復(fù)磨損零件原有的尺寸和性能，并使之得到進(jìn)一步提升[1-4]。根據(jù)需修復(fù)零件基體材料及磨損位置不同，可選擇不同的涂層，常見的有CuAl、NiAl、NiCrAlY、WC-Co 等[5]。在眾多的修復(fù)涂層中，NiCrFeMo 涂層以其較高的強(qiáng)度、良好的韌性和耐腐蝕性，使用溫度可達(dá)到1000 ℃等優(yōu)異性能，近年來備受青睞[6-8]。GH4169 高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)中常用的一種材料，因其具有良好的抗疲勞、耐腐蝕性能以及良好的加工性、焊接性和組織穩(wěn)定性，廣泛地應(yīng)用于制造各種靜止件、轉(zhuǎn)動(dòng)件上，如盤件、機(jī)匣、軸、葉片等[4,5]。本文將以GH4169 為例，研究NiCrFeMo 再修復(fù)技術(shù)。分別在試片上進(jìn)行了涂層制備，及性能表征，并采用JMatPro 軟件對涂層熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等性能進(jìn)行了計(jì)算，與GH4169 相關(guān)性能作對比，分析了二者的匹配性。最后以某型號修理航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，對磨損零件進(jìn)行了NiCrFeMo 涂層再修復(fù)，并對修復(fù)后的零件進(jìn)行了試車考核，驗(yàn)證了涂層修復(fù)的可靠性。

1 試驗(yàn)及模擬過程

1.1 試驗(yàn)材料

本文中選用NiCrFeMo 粉末(Oerlikon Metco,Amdry718)主要化學(xué)成分見表1。顯微鏡下，NiCrFeMo 粉末微觀形貌如圖1 所示，粉末呈圓球顆粒狀。粉末粒度集中在-90～+45 μm。

表1 NiCrFeMo 粉末主要化學(xué)成分 (wt.%)Table 1 Chemical composition of NiCrFeMo powder (wt.%)

圖1 NiCrFeMo 粉末微觀形貌Fig.1 Micromorphology of NiCrFeMo powder

試驗(yàn)采用的試片基體為GH4169，主要成分見表2，顯微組織與硬度試片尺寸為40 mm×20 mm× 2 mm，結(jié)合強(qiáng)度試片尺寸為25 mm×2 mm，彎曲試片尺寸為100 mm× 20 mm× 1.2 mm。

表2 GH4169 材料主要成分 (wt.%)Table 2 Chemical composition of GH4169 (wt.%)

1.2 涂層制備

用丙酮擦拭試片，進(jìn)行除油除污，再用36 目的白剛玉砂，采用0.35 MPa 風(fēng)壓對試片噴涂位置進(jìn)行噴砂粗化。噴砂粗化可以增大涂層熔融粒子與基體的結(jié)合面積，使涂層顆粒之間形成相互交錯(cuò)、連鎖的疊層結(jié)構(gòu)。噴砂后的表面活性很高，在大氣中極易氧化，應(yīng)盡快進(jìn)行噴涂。本文采用AMT 公司生產(chǎn)的MP200 等離子噴涂設(shè)備（噴槍型號F4-MB/HBS）進(jìn)行NiCrFeMo 涂層制備，噴涂主要工藝參數(shù)見表3。設(shè)備啟動(dòng)后先對基體進(jìn)行預(yù)熱處理，提高基體溫度，以盡量減小因涂層與基體之間的溫度差異而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，基體預(yù)熱溫度為150～200 ℃，避免溫度過高引起基體表面氧化。預(yù)熱完成后進(jìn)行送粉，待粉末焰流穩(wěn)定后進(jìn)行噴涂。

表3 噴涂主要工藝參數(shù)Table 3 Main spraying process parameters

1.3 涂層性能表征

按照HB20195《熱噴涂涂層金相檢驗(yàn)》對涂層進(jìn)行顯微組織測試，將噴涂過的試片沿厚度方向切開，使用環(huán)氧樹脂進(jìn)行鑲嵌固化后，依次使用不同規(guī)格的砂紙進(jìn)行打磨并拋光成鏡面，利用ZEISS 光學(xué)顯微鏡下對涂層截面顯微組織進(jìn)行分析，通過標(biāo)準(zhǔn)圖片對比法獲得涂層組織中界面污染率、氧化物含量及孔隙含量，實(shí)測氧化物及未熔顆粒直徑。顯微組織觀察后，將試樣至于微硬度計(jì)下，上下端面平行。按照HB5486《熱噴涂涂層硬度試驗(yàn)方法》采用Struers Duramin-20顯微硬度計(jì)對涂層進(jìn)行顯微硬度測試，選取10個(gè)位置對涂層進(jìn)行顯微硬度測試，載荷為100 gf，保持時(shí)間為10 s，結(jié)果取平均值。按照HB5476《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》對涂層進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測試，采用FM-1000 薄膜膠將試樣與試棒進(jìn)行粘接固化后置于INSTRON 5500 萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在室溫下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。加載速率為1 mm/min，直到發(fā)生斷裂。采用簡易彎曲試驗(yàn)器定性測量涂層與基體的結(jié)合性及塑性變形性。彎曲試驗(yàn)采用的支撐軸直徑為12.7 mm，以30 °/s 的速度彎曲試樣，彎曲角度達(dá)到170°左右，停留5～10 s，取下試樣，檢測涂層彎曲后表面狀態(tài)。

1.4 涂層熱力學(xué)性能模擬計(jì)算

本文利用 JMatPro 軟件對NiCrFeMo 涂層進(jìn)行熱力學(xué)性能模擬計(jì)算，使用NiCrFeMo 涂層模塊，輸入涂層各元素的成分。初始溫度選擇為 0℃，最高溫度為 1400 ℃，溫度間隔為 15 ℃，設(shè)置好溫度參數(shù)并選好可能存在的相后，進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得NiCrFeMo 涂層的熱力學(xué)性能，并與GH4169 相關(guān)性能作對比，從而分析二者的匹配性。

圖2 為不同溫度下NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料熱膨脹系數(shù)，二者在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)相近。NiCrFeMo 涂層在室溫下熱膨脹系數(shù)為13.5×10-6/℃；1000 ℃達(dá)到17.5×10-6/℃。GH4169 材料熱膨脹系數(shù)室溫為11.8×10-6/℃，1000 ℃達(dá)到18.7×10-6/℃。

圖2 不同溫度下NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料的熱膨脹系數(shù)Fig.2 Thermal expansion coefficient of NiCrFeMo coating and GH4169 at different temperatures

圖3 為不同溫度下NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料熱導(dǎo)率，二者在不同溫度下的熱導(dǎo)率相近。NiCrFeMo 涂層室溫下熱導(dǎo)率為12 W/(m·℃)，1000 ℃達(dá)到28.8 W/(m·℃)。GH4169材料室溫下熱導(dǎo)率為13.4 W/(m·℃)，1000 ℃達(dá)到30.4 W/(m·℃)。

圖3 不同溫度下NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料的熱導(dǎo)率Fig.3 Thermal conductivity of NiCrFeMo coating and GH4169 at different temperatures

利用JMatPro 軟件對NiCrFeMo 涂層的密度、楊氏模量、切變模量、泊松比進(jìn)行分析，并與GH4169 材料相關(guān)性能作對比，結(jié)果如表4。相近的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、密度保證了合金基體和修復(fù)涂層在溫度變化時(shí)不會產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力，從而保證了涂層的可靠性；而相近的彈性模量保證了零件荷載時(shí)修復(fù)涂層和基體受力的均勻性。根據(jù)模擬結(jié)果表明，NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料匹配性良好，可以采用NiCrFeMo 涂層對基體為GH4169 合金的零件進(jìn)行尺寸修復(fù)。

表4 NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料相關(guān)性能對比Table 4 Comparison of relevant properties between NiCrFeMo coating and GH4169

2 結(jié)果與分析

2.1 外觀及顯微組織

熱噴涂NiCrFeMo 涂層外觀見圖4，涂層呈灰色，顏色均勻一致，無過燒導(dǎo)致的變色現(xiàn)象。涂層表面無裂紋、翹起、剝落、分層、掉塊等肉眼可觀察到的缺陷。

圖4 熱噴涂NiCrFeMo 涂層外觀Fig.4 Appearance of thermal sprayed NiCrFeMo coating

在光學(xué)顯微鏡下對涂層截面顯微組織進(jìn)行分析，NiCrFeMo 涂層典型顯微組織(200×)如圖5 所示。經(jīng)檢測，涂層與基體界面結(jié)合良好，無翹起和分層，界面污染率為4%，氧化物含量為10%，孔隙含量為5%，最大尺寸為26μm，未熔顆粒最大尺寸為75μm。

圖5 NiCrFeMo 涂層典型顯微組織 (200×)Fig.5 Microstructure of NiCrFeMo coatings(200×)

2.2 顯微硬度和結(jié)合強(qiáng)度

NiCrFeMo 涂層顯微硬度測量結(jié)果見表5，硬度平均值為527 HV0.1，略高于GH4169 基體強(qiáng)度（約450 HV0.1）。圖6 為NiCrFeMo 涂層拉斷斷面，涂層均為內(nèi)部斷裂。結(jié)合強(qiáng)度測得分別為68.48 MPa、61.31 MPa、59.65 MPa，平均值是63.15 MPa?？梢娡繉优c基體結(jié)合度較高。

表5 NiCrFeMo 涂層顯微硬度測量結(jié)果Table 5 Microhardness values of NiCrFeMo coating

圖6 NiCrFeMo 涂層拉斷斷面Fig.6 Tensile fracture section of NiCrFeMo coating

2.3 彎曲性能

在生產(chǎn)中，為了滿足現(xiàn)場快速檢測要求，通常進(jìn)行彎曲性能測試，定性測量涂層與基體的結(jié)合性及塑性變形性。彎曲170°后，NiCrFeMo 涂層彎曲后表面狀態(tài)如圖7 所示。從圖中看出，三組試片彎曲后均無裂紋，無剝落，這表明涂層塑性較好，與基體的結(jié)合良好。

圖7 NiCrFeMo 涂層彎曲后表面狀態(tài)Fig.7 Surface state of NiCrFeMo coating after bending

3 零件修復(fù)

盤組合件和承力環(huán)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上都處于十分重要的部位，使用過程中與配合零件存在接觸磨擦，修復(fù)時(shí)若涂層使用不當(dāng)，未發(fā)揮應(yīng)有作用，可能會導(dǎo)致零件磨損失效，造成發(fā)動(dòng)機(jī)故障，甚至飛機(jī)墜毀。為了驗(yàn)證NiCrFeMo 涂層修復(fù)效果，分別以某型號修理航空發(fā)動(dòng)機(jī)（基體材料為GH4169）的盤組合件和承力環(huán)為例，對零件磨損部位進(jìn)行了涂層修復(fù)。根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，采用本文確定的工藝參數(shù)分別對兩個(gè)零件磨損位置進(jìn)行了NiCrFeMo 涂層修復(fù)，并根據(jù)零件原有尺寸對涂層進(jìn)行了機(jī)加工。涂層修復(fù)并機(jī)加工后的零件分別如圖8。

圖8 涂層修復(fù)并機(jī)加工后的零件Fig.8 Parts after coating repair and machining

從現(xiàn)場效果看，修復(fù)后的零件在尺寸和形狀方面均取得了理想效果，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。對修復(fù)后的零件裝于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了500 小時(shí)長試考核，長試過程中進(jìn)行定時(shí)監(jiān)控，未發(fā)現(xiàn)異常。長試結(jié)束后發(fā)動(dòng)機(jī)下臺分解檢查，盤組合件及承力環(huán)零件狀態(tài)良好，涂層完整，無脫落、掉塊等損傷現(xiàn)象。圖9 所示為涂層長試后表面狀態(tài)。長試結(jié)果表明NiCrFeMo 涂層修復(fù)GH4169 類零件可靠，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理需求，用于生產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。目前NiCrFeMo 涂層再修復(fù)技術(shù)已批量應(yīng)用于各型號航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理中，涉及零件種類二十種以上，修復(fù)效果良好，無質(zhì)量問題發(fā)生。

圖9 涂層長試后表面狀態(tài)Fig.9 Surface state of coating after long test run

4 結(jié)論

(1) 熱力學(xué)性能模擬計(jì)算結(jié)果，熱噴涂NiCrFeMo 涂層與GH4169 材料熱膨脹系數(shù)、密度、彈性模量相近，匹配性良好。

(2) 在GH4169 試片上通過熱噴涂制備了NiCrFeMo 涂層，涂層顯微硬度測試結(jié)果為527HV0.1，結(jié)合強(qiáng)度為63.15 MPa, 彎曲性能測試無剝落。

(3) 對NiCrFeMo 涂層修復(fù)后的零件裝于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了500 小時(shí)長試考核，長試結(jié)束后涂層完整，無脫落、掉塊等損傷現(xiàn)象。NiCrFeMo 涂層修復(fù)GH4169 類零件可靠，滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理需求。