某型航空發(fā)動機(jī)鎳鎘合金擴(kuò)散鍍層工藝研究

劉臣 孫紅梅 馬海強(qiáng) 楊武奎

摘要：某型航空發(fā)動機(jī)滑油封嚴(yán)圈按設(shè)計(jì)要求在制造和修理時(shí)零件表面局部敷鍍鎳鎘合金層，但是零件內(nèi)表面對光潔度要求很高，容易腐蝕。針對此問題，研究開發(fā)了敷鍍鎳鎘合金工藝和除鎳鎘合金工藝，解決了低合金鋼、不銹鋼零件以及精密零件局部敷鍍鎳鎘合金鍍層、局部防護(hù)、深窄凹槽溶液分散性差、除鎳鎘合金鍍層溶液高腐蝕性、高毒性等難題，并對其他低合金鋼、不銹鋼零件的高溫防腐和防氧化提供了理論和依據(jù)，為提高航空發(fā)動機(jī)使用性能和飛行安全起到一定參考作用。

關(guān)鍵詞：鎳鎘合金層；敷鍍；去除；象形陽極；局部防護(hù)

Keywords：Ni-Cd alloy layer；coating；removal；pictographic anode；local protection

0 引言

某型航空發(fā)動機(jī)滑油封嚴(yán)圈材料為38CrMoAlA，按設(shè)計(jì)要求在制造和修理時(shí)其表面需要敷鍍鎳鎘層，用于零件在高溫環(huán)境下的防氧化和腐蝕。鎳鎘合金擴(kuò)散鍍層是中高溫防護(hù)鍍層，在500℃高溫下能很好地保護(hù)鋼鐵件不被腐蝕和氧化，并具有一定的耐沖刷能力，預(yù)期鎳鎘合金擴(kuò)散鍍層能成為基體材料的陽極保護(hù)層，起到保護(hù)基體材料的作用。

1 研發(fā)背景

滑油封嚴(yán)圈在使用過程中表面鍍層在高溫及氣流沖刷的作用下會出現(xiàn)破損，鍍層一旦破損會失去防腐保護(hù)作用，零件基體在腐蝕過程中充當(dāng)陽極，加速腐蝕，因此必須除去鎳鎘合金鍍層，重新敷鍍鎳鎘合金鍍層。本項(xiàng)目通過研究敷鍍鎳鎘合金鍍層和去除鎳鎘合金鍍層的工藝方法和工藝參數(shù)，解決敷鍍過程中零件局部防護(hù)、溶液在深窄凹槽中分散性差、鍍層結(jié)合力、除鎳鎘層時(shí)局部防護(hù)以及環(huán)保和人身安全問題。

鎳鎘合金擴(kuò)散電鍍層是一種高溫防護(hù)鍍層，在從常溫至500℃高溫的工作環(huán)境下具有良好的防護(hù)能力。該合金層具有底鎳層、鎳—鎘擴(kuò)散層和表面微薄的富鎘層結(jié)構(gòu)。鎳鎘合金擴(kuò)散電鍍層的特點(diǎn)是先鍍低應(yīng)力的細(xì)密的鎳層，再在鍍鎳層上鍍鎘，經(jīng)過330℃～340℃熱擴(kuò)散處理，讓鎳層和鎘層在高溫下相互擴(kuò)散和滲透，從而形成熱擴(kuò)散電鍍合金層。該合金層在高溫下的抗腐蝕能力非常強(qiáng)，對鋼機(jī)體而言屬于陽極防護(hù)層，作為一種理想的高溫防護(hù)層在蘇聯(lián)的P13-300、美國的JT-30和JT4A、英國的斯貝等發(fā)動機(jī)中早已廣泛應(yīng)用，國產(chǎn)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片和渦輪部分零件中也有使用。

2 技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）保證零件鎳鎘合金擴(kuò)散鍍層質(zhì)量應(yīng)符合發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，保證鍍層厚度、應(yīng)力值符合要求（指標(biāo)見表1）；

2）鍍層相關(guān)的性能、表面狀態(tài)等應(yīng)符合裝機(jī)要求；

3）鎳鎘合金擴(kuò)散鍍的工藝參數(shù)應(yīng)穩(wěn)定，具有可操作性，可重復(fù)性好；

4）工藝方案的實(shí)施應(yīng)便于實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，以滿足工廠修理需求；

5）非鍍面未出現(xiàn)腐蝕，光潔度應(yīng)滿足技術(shù)要求。

3研究內(nèi)容和試驗(yàn)方法

3.1 敷鍍鎳鎘合金鍍層溶液成分

在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。由于應(yīng)力造成零件強(qiáng)度下降，優(yōu)化主要是控制鎳層的應(yīng)力，通過調(diào)整溶液成分將鎳層應(yīng)力控制在-3.5～10.5kg/mm2（-34.3～102.9MPa）范圍。

3.2 敷鍍方法

油封嚴(yán)圈內(nèi)表面有深22mm、寬8mm的溝槽，按電鍍原理中電力線的分布和溶液的分散性分析，在沒有外力的情況下，鎳離子不能吸附于零件表面。航標(biāo)HB 5196-82《鎳鎘擴(kuò)散鍍層質(zhì)量檢驗(yàn)》規(guī)定“對于局部敷鍍零件允許鎳層在鍍與不鍍的交界面上向不鍍方向位移1mm，在交界處的鎳層上必須保證3～6mm過渡區(qū)無鎘層，沒有鎳鍍層的地方絕對不允許鍍上鎘層。為了滿足質(zhì)量控制要求，因鎘離子比鎳離子分散性好，鎳離子不能到達(dá)的地方，鎘離子不一定不能到達(dá)”。因此，為保證局部鍍的零件鍍面全部鍍上鎳層，需制作輔助象形陽極。

3.3 去除鎳鎘合金鍍層溶液

航標(biāo)HB/Z31-82《鎳鎘擴(kuò)散鍍層通用工藝說明》中，去除鎳鎘鍍層采用的是主鹽化學(xué)法，溶液成分為強(qiáng)酸或氰化物（見表2），對零件易產(chǎn)生腐蝕（特別是非鍍面）或?qū)θ梭w及環(huán)境造成不良影響。需要通過試驗(yàn)確定一種去除鎳鎘合金鍍層的方法，不僅去除滑油封嚴(yán)圈樣件上的鎳鎘合金擴(kuò)散鍍層，還能有效保護(hù)非鍍面，保證非鍍面的光潔度，并解決強(qiáng)酸、氰化物除鍍層的質(zhì)量安全、人身安全、綠色環(huán)保等問題。

3.4 鍍鎳溶液成分優(yōu)化試驗(yàn)

工藝流程：除油—清洗—活化（鹽酸）—清洗—鍍鎳—清洗—檢查鎳層—陰極電腐蝕—清洗—鍍鎘—清洗—鈍化—清洗（熱水50℃～60℃）—干燥—熱擴(kuò)散—清理—檢查質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

為改進(jìn)鍍鎳溶液成分試驗(yàn)工藝，進(jìn)行了三組試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過多次對比試驗(yàn)，確定了敷鍍鎳鎘工藝主要溶液成分，證明加入適量糖精的方案有效可行，生產(chǎn)中可以采取A組方案。試片表面鎳鎘合金擴(kuò)散鍍層如圖1所示。

3.5 防護(hù)涂層

生產(chǎn)過程中局部防護(hù)通常采用打蠟、聚氯乙烯塑料包扎、鉛皮封堵等方法，石蠟?zāi)艹惺艿臏囟葹?7℃～63℃，零件的除油溫度約85℃左右，所以無法起到防護(hù)作用。采用冷除油的方法對零件進(jìn)行除油，發(fā)現(xiàn)零件在遮擋、角落處鍍層易起皮、起泡。調(diào)研發(fā)現(xiàn)G52-2過氯乙烯防腐漆可以耐溫120℃左右（見圖2），通過試驗(yàn)證明G52-2過氯乙烯防腐漆可以在敷鍍鎳鎘合金鍍層和除去鎳鎘合金鍍層過程中用于非鍍面的局部防護(hù)。

3.6 除鎳鎘方法的確定以及工藝開發(fā)

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

經(jīng)過多次對比試驗(yàn)，確定按新配置溶液加水吹砂進(jìn)行除鎳鎘鍍層。A組和C組試片表面除鎳鎘外觀對比如圖3所示。

按已驗(yàn)證的工藝進(jìn)行零件的除鎳鎘試驗(yàn)，經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)，認(rèn)為該方法能有效防止非鍍面長時(shí)間在高溫酸性條件下被腐蝕，零件鍍層去除前后情況如圖4、圖5所示，可知該方法除鍍層時(shí)間短，效率高，除鍍層風(fēng)險(xiǎn)小。

根據(jù)零件的形狀和電鍍過程中電力線的分布，設(shè)計(jì)滑油封嚴(yán)圈表面鍍鎳鎘合金鍍層象形陽極夾具，如圖6～圖8所示。

4 結(jié)論

針對滑油封嚴(yán)圈以及低合金鋼、不銹鋼零件的敷鍍鎳鎘合金鍍層和去除鎳鎘合金鍍層進(jìn)行了大量的工藝探索，并做了對比試驗(yàn)。通過添加輔助原材料，設(shè)計(jì)象形陽極夾具，開發(fā)了除鎳鎘合金鍍層工藝，得出適于低合金鋼、不銹鋼零件敷鍍鎳鎘合金層的工藝和去除敷鍍鎳鎘合金層的工藝。針對凹槽敷鍍鎳鎘合金層的難點(diǎn)問題進(jìn)行了研究，引入依據(jù)零件設(shè)計(jì)象形陽極的理念，探索凹槽、窄間隙零件的電鍍方法。通過對零件應(yīng)力、鹽霧試驗(yàn)的檢測，掌握了敷鍍和去除鎳鎘合金層的機(jī)理。結(jié)論如下：

1）分析了三種不同方法敷鍍鎳鎘合金層的特點(diǎn)，通過大量的工藝探索試驗(yàn)研究了適合低合金鋼、不銹鋼零件敷鍍鎳鎘合金層的工藝和凹槽、窄間隙鍍鎳鎘敷鍍鎳鎘合金層的方法，為后續(xù)深入研究優(yōu)化工藝提供了堅(jiān)實(shí)的工藝基礎(chǔ)；

2）重點(diǎn)研究了鎳鎘合金鍍層的去除工藝，通過宏觀和微觀形貌和粗糙度等分析工藝參數(shù)對去除效果的影響規(guī)律，得到去除鎳鎘合金工藝參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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