超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層適海性工藝研究

丁 偉，曹圣兵

（1.海軍裝備部，陜西西安 710000；2.慶安集團(tuán)有限公司，陜西西安 710077）

前言

超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層作為硬鉻鍍層替代工藝，在國內(nèi)外各類尤其是航空、水利領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于各類活塞桿零件表面防護(hù)，效果優(yōu)異。某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動筒活塞桿基體材料為18Cr2Ni4WA，表面防護(hù)工藝原為鍍硬鉻工藝，因外場使用過程中鍍層鼓包、脫落導(dǎo)致漏油故障頻發(fā)，更換為超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層，涂層厚度為100～120 μm。防護(hù)涂層更換后鼓包、脫落及產(chǎn)品漏油故障大幅降低，但仍偶有發(fā)生。

為進(jìn)一步提升超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層對活塞桿的防護(hù)能力，采用將涂層厚度增加至180～200 μm，并在涂層磨削后增加二次封孔處理，并進(jìn)行廠內(nèi)、外試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

1 超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層適海性工藝研究

1.1 原因分析

某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動筒活塞桿涂層厚度參照轉(zhuǎn)包航空產(chǎn)品要求涂層厚度為100～120 μm，經(jīng)航空產(chǎn)品多年驗(yàn)證使用防護(hù)效果良好，但某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動筒在海水中使用，間斷性接觸海水，工作環(huán)境較常規(guī)航空零部件及水利零件惡劣，航空產(chǎn)品涂層厚度可能不滿足該產(chǎn)品防腐需求[2]。

因兩項(xiàng)產(chǎn)品零件噴涂后進(jìn)行磨削，且磨削量較大，磨削過程中可能損傷封孔層。當(dāng)封孔層遭到損傷、破壞時，腐蝕電位降低，海水進(jìn)入涂層幾率增加，涂層及基體腐蝕可能性增大，外場使用過程中海水自WC10Co4Cr 涂層表面進(jìn)入，腐蝕涂層中的粘接相；海水進(jìn)入涂層且涂層厚度不足時，涂層腐蝕較快，海水可較快到達(dá)基體，此時優(yōu)先腐蝕基體并使基體產(chǎn)生腐蝕。隨著腐蝕產(chǎn)物體積膨脹，涂層局部區(qū)域出現(xiàn)鼓包、開裂甚至脫落現(xiàn)象，防護(hù)能力進(jìn)一步下降，導(dǎo)致附近區(qū)域基體銹蝕狀況加劇，涂層鼓包、脫落區(qū)域繼續(xù)增大。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計及驗(yàn)證

1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計

WC10Co4Cr 涂層封孔處理可封閉涂層表層孔隙，降低腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層幾率，提高腐蝕電位，提高防護(hù)效果；厚度增加可延長介質(zhì)到達(dá)基體時間，減少貫通性孔隙出現(xiàn)的幾率。為提升超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層防護(hù)能力，增加封孔和厚度分別從兩個方向增強(qiáng)涂層防護(hù)作用[3]。

1.2.1.1 按照改進(jìn)前、后兩種方案噴涂活塞桿模擬件，測試耐腐蝕性能

鑒于某產(chǎn)品在東海、南海服役，?？繝顟B(tài)下主要處于海洋性氣氛，工作狀態(tài)下活塞桿局部位于海水中，需經(jīng)受海水沖刷。為考核海洋性氣氛、海水沖刷兩種條件下活塞桿涂層耐腐蝕性，分別按照改進(jìn)前（涂層厚度100～120 μm+噴涂后一次封孔）、后（涂層厚度增加至180～200 μm，并在磨削后增加第二次封孔處理）噴涂6 件活塞桿模擬件，對比測試兩組活塞桿酸性鹽霧、海水飛濺性能。

1.2.1.2 采用改進(jìn)后方案噴涂8 件活塞桿，跟蹤外場使用效果。

采用改進(jìn)后方案分別噴涂4 件電液舵機(jī)、4 件側(cè)風(fēng)門作動筒活塞桿，替換外場正在使用的活塞桿，實(shí)際考核6 個月觀察涂層表面狀態(tài)。

1.2.2 改進(jìn)前、后耐腐蝕性對比測試

1.2.2.1 試件準(zhǔn)備

參照電液舵機(jī)活塞桿準(zhǔn)備12 件性能測試模擬件（示意圖見圖1），材料：18Cr2Ni4WA（技術(shù)條件：GJB1951-94）。表面E 進(jìn)行滲碳，滲層厚度0.4～0.8 mm，滲碳表面硬度HRC58～64，非滲碳表面硬度HRC35～48。E 表面要求如下：①粗糙度Ra0.4；②尺寸：Φ28(-0.250/-0.271)。用振動筆在左端面依次標(biāo)記為H2-1～H2-6，B1-1～B1-6。

圖1 模擬件示意圖

試件加工完成后，采用DJ2700 超音速火焰噴涂系統(tǒng)噴涂12 件模擬件，噴涂材料為Stark558 粉末，封孔劑選用TCS-06 雙組份封孔劑[4]。B1 組模擬件工藝流程為噴涂+封孔→涂層磨削，磨削后涂層最終厚度為100～120 μm；H2 組模擬件工藝流程為噴涂+封孔→涂層磨削→二次封孔，磨削后涂層最終厚度為180～200 μm。B1 組、H2 組模擬件測試前表面狀態(tài)見圖2、圖3。與B1 組，H2 組涂層表面相比略發(fā)暗。

圖2 B1 組模擬件試驗(yàn)前狀態(tài)

圖3 H2 組模擬件試驗(yàn)前狀態(tài)

1.2.2.2 酸性鹽霧測試[5]

選擇B1 組3 件模擬件（B1-1、B1-2、B1-3）、H2組3 件模擬件（H2-1、H2-2、H2-3）進(jìn)行酸性鹽霧測試。試驗(yàn)條件：溫度35 ℃；鹽霧采用（5±1）%的NaCl溶液（pH 值為3.5±0.5，），鹽霧沉降率(1.0～3.0)mL/80cm2·h；單次循環(huán)周期48 h（24 h 連續(xù)噴霧和24h 干燥）。測試進(jìn)行至模擬件表面出現(xiàn)明顯銹蝕為止。酸性鹽霧測試結(jié)果見表1。

表1 酸性鹽霧測試結(jié)果

酸性鹽霧試驗(yàn)測試結(jié)果表明：H2 組模擬件經(jīng)34周期（1 632 h）酸性鹽霧后表面狀態(tài)較B1 組9 周期（432 h）酸性鹽霧試驗(yàn)后表面狀態(tài)好，H2 組酸性鹽霧耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的3.8 倍；B1 組涂層表面出現(xiàn)腐蝕花斑后，很快出現(xiàn)基體銹蝕的紅色產(chǎn)物；H2 組涂層表面出現(xiàn)黑色銹蝕后，需要較長時間才出現(xiàn)基體銹蝕（紅色銹蝕），銹蝕擴(kuò)展速度比較緩慢。

1.2.2.3 海水飛濺測試

選擇B1 組3 件模擬件（B1-4、B1-5、B1-6）、H2組3 件模擬件（H2-4、H2-5、H2-6）進(jìn)行海水飛濺測試。

測試方案如下：模擬最嚴(yán)苛的南海水域工況配制溶液并進(jìn)行測試。具體方案為：仿照南海海水成分配制（溶液水溫：20～35℃；NaCl 質(zhì)量比：2.8～3.2%；PH值：7.8～8.3），在室溫條件下使溶液一定速度（10 m/s）濺射至模擬件，每個測試周期24 h，包括12 h 連續(xù)海水飛濺和12 h 靜置），進(jìn)行至基體表面出現(xiàn)明顯銹蝕為止。海水飛濺試驗(yàn)裝置示意圖見圖4，模擬件海水飛濺現(xiàn)場圖見圖5。

圖4 海水飛濺試驗(yàn)裝置示意圖

圖5 海水飛濺測試現(xiàn)場圖（靜置態(tài)）

海水飛濺測試結(jié)果見表2，海水飛濺后B1、H2 兩組模擬件表面狀態(tài)見圖6、圖7。

圖6 B1 組6 周期（144 h）海水飛濺后

圖7 H2 組67 周期（1 608 h）海水飛濺后

表2 海水飛濺測試結(jié)果

海水飛濺測試結(jié)果表明：H2 組經(jīng)過67 周期（1 608 h）海水飛濺試驗(yàn)后，僅1 件出現(xiàn)輕微花斑、變色；B1組經(jīng)過6 周期（144 h）海水飛濺后3 件均出現(xiàn)嚴(yán)重的紅色腐蝕。H2 組67 個周期海水飛濺測試后表面狀態(tài)較B1 組6 周期測試后狀態(tài)好，海水飛濺耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的11 倍；B1 組涂層表面出現(xiàn)腐蝕花斑后，很快出現(xiàn)基體銹蝕的紅色產(chǎn)物；H2 組涂層表面出現(xiàn)黑色銹蝕后，銹蝕擴(kuò)展速度比較緩慢，直至67 周期測試結(jié)束仍未出現(xiàn)紅色銹蝕。

1.2.3 外場驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)方案防護(hù)性能，按改進(jìn)后方案（涂層厚度增加至180～200μm+磨削后增加二次封孔處理）噴涂某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動筒活塞桿各4件，替換外場正在使用的活塞桿，實(shí)際使用6 個月，觀察活塞桿表面狀態(tài)，驗(yàn)證超音速火焰噴涂工藝優(yōu)化改進(jìn)后的外場耐蝕能力。外場驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 改進(jìn)后活塞桿外場使用效果

驗(yàn)證結(jié)果表明：8 件改進(jìn)后活塞桿經(jīng)6 個月外場考核后，涂層外觀良好，無鼓包、脫落現(xiàn)象。

2 結(jié)論

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可得出以下結(jié)論：

（1） 改進(jìn)方案耐腐蝕性能改善明顯，H2 組（180～200 μm +二次封孔涂層）酸性鹽霧、海水飛濺耐蝕性均遠(yuǎn)高于B1 組（100～120 μm +一次封孔涂層），其中酸性鹽霧耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的3.8倍，海水飛濺耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的11 倍。

（2） 酸性鹽霧、海水飛濺兩種測試條件下，H2組表面出現(xiàn)黑色銹蝕后，銹蝕擴(kuò)展速度均比較緩慢，涂層銹蝕擴(kuò)散至基體銹蝕周期很長。

（3） 外場實(shí)物驗(yàn)證效果表明，采用改進(jìn)后方案制備的活塞桿在外場使用效果良好，滿足某產(chǎn)品東海、南海工況下活塞桿表面防護(hù)要求。