熱噴涂鋁青銅-聚苯酯涂層耐磨性能研究

佘定君，李衛(wèi)俠，康飛遠(yuǎn)，劉通

（1.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，株洲 412002；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；）

0 引言

直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)是直升機(jī)非常重要的組成部分，在滿足傳動(dòng)功能要求的同時(shí)也必須具備重量輕、體積小、可靠性高、傳遞效率高、總壽命長(zhǎng)、干運(yùn)轉(zhuǎn)特性好等諸多特殊性能要求[1]，行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)因具有大傳動(dòng)比、強(qiáng)承載能力、高扭矩質(zhì)量比、高傳動(dòng)效率、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[2]，在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。傳遞功率在多個(gè)行星輪之間的均勻分配，由于不可避免存在制造、安裝誤差以及構(gòu)件變形等因素影響，致使各行星輪的載荷分配存在一定的不均勻性和磨損[3]。為了克服磨損，通常在各接觸部位噴涂減磨功能涂層[4]。

涂層耐磨性能是減磨功能涂層的關(guān)鍵性能之一，是指涂層表面抵抗某種機(jī)械作用的能力，與涂層的硬度、附著力、柔韌性等其它物理性能密切相關(guān)，通常采用砂輪研磨、砂粒沖擊、旋轉(zhuǎn)摩擦橡膠輪法等方法測(cè)定涂層的耐磨性能，以失重法或轉(zhuǎn)數(shù)法評(píng)價(jià)耐磨性能[5]。對(duì)于一般考核試片級(jí)涂層耐磨性能是通過擺動(dòng)磨損試驗(yàn)，用磨痕寬度計(jì)算體積磨損或用稱重法測(cè)定質(zhì)量磨損來進(jìn)行評(píng)定，常用于涂層試樣的工藝試驗(yàn)。為獲取真實(shí)工況環(huán)境下的涂層性能數(shù)據(jù)，應(yīng)對(duì)涂層典型零件的耐磨性能考核，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、涂層位置、受載及位移、使用潤(rùn)滑環(huán)境等因素，先后進(jìn)行典型件零件級(jí)、部件級(jí)及整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。鋁青銅-聚苯酯涂層是一種高性能減磨功能涂層，具有抗接觸磨損、抗氣蝕和抗干摩擦等特性，是防止零部件表面疲勞磨損、減少裝配件黏連，提高部件可靠性和使用壽命的關(guān)鍵涂層[6,7]，國(guó)外已用作典型耐微動(dòng)減磨涂層，國(guó)內(nèi)對(duì)于該種涂層的耐磨性能研究較少[8]。

本文采用整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)考核的方法對(duì)鋁青銅-聚苯酯典型件涂層進(jìn)行檢測(cè)，通過外觀、磨損量等結(jié)果的分析，研究了涂層的耐磨性能，為鋁青銅-聚苯酯涂層的使用和新型耐磨涂層的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用礦冶科技集團(tuán)有限公司研制的鋁青銅-聚苯酯復(fù)合粉末（牌號(hào)KF-1301）為試驗(yàn)材料，該粉末以銅鋁合金粉和聚苯酯為原材料，通過“團(tuán)聚復(fù)合+機(jī)械混合”工藝制備為復(fù)合粉末，粉末化學(xué)成分和物性如表1 所示，粉末形貌如圖1 所示。

圖1 鋁青銅-聚苯酯復(fù)合粉末微觀形貌照片：(a) 低倍；(b) 高倍Fig.1 Micromorphology of CuAl-PHB composite powder: (a) low magnification; (b) high magnification

表1 鋁青銅-聚苯酯粉末化學(xué)成分和物理性能Table 1 The chemical composition and physical properties of CuAl-PHB powder

本試驗(yàn)采用大氣等離子噴涂工藝在典型零件支承環(huán)上制備鋁青銅-聚苯酯耐磨涂層，噴涂工藝參數(shù)如表2所示，典型件涂層示意圖如圖2所示。試驗(yàn)前外觀檢查涂層完好無損壞，涂層表面完整、致密、顏色均勻一致，無裂紋、剝落、分層、邊緣翹起及磨削加工引起的燒傷等缺陷，涂層厚度為0.10 mm 以上。

圖2 支承環(huán)減磨涂層示意圖Fig.2 Wear-reduction coating of locking plate

表2 鋁青銅-聚苯酯復(fù)合粉末噴涂工藝參數(shù)Table 2 Parameters of spraying CuAl-PHB powder

1.2 涂層性能表征

采用Hitachi SU5000 型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析粉末和涂層的顯微組織形貌，使用Image J 軟件測(cè)量涂層橫截面的孔隙率數(shù)值。涂層硬度試樣經(jīng)過砂紙打磨后，依照HB 5486 采用MODEL600MRD-S 型洛氏硬度儀檢測(cè)HR15Y。涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用粘結(jié)拉伸法測(cè)試，將粗磨后的試樣與預(yù)噴砂的對(duì)接件采用FM-1000高溫膠片粘結(jié)，190 ℃、保溫2 h 的條件下固化；在WDW-100A 型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測(cè)試；涂層厚度為0.5～0.6 mm 拉斷時(shí)單位面積涂層所承受的載荷為結(jié)合強(qiáng)度，并對(duì)斷口進(jìn)行宏觀觀察，確定涂層斷裂方式，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)均采取3 個(gè)試樣進(jìn)行測(cè)試，取其平均值作為最終結(jié)果。

1.3 臺(tái)架試驗(yàn)方法及耐磨性能評(píng)價(jià)

整機(jī)臺(tái)架考核試驗(yàn)是將帶有鋁青銅-聚苯酯涂層的支承環(huán)典型件裝配到行星輪系主減速器整機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行模擬工況的試驗(yàn)考核，主要試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速20000 r/min，輸入扭矩800 N·m，滑油溫度90～100 ℃，滑油壓力0.2～0.3 MPa，運(yùn)行時(shí)間50 h。

通過測(cè)量鋁青銅-聚苯酯典型零件試驗(yàn)后涂層表面的磨損厚度評(píng)價(jià)涂層耐磨性能，磨損厚度可包括涂層平均磨損厚度、最大磨損部位的磨損厚度、出現(xiàn)磨損部位的平均厚度等；同時(shí)通過目視檢查及體視顯微鏡檢查涂層外觀損傷情況。

本文采用的典型零件支承環(huán)的剛性較差，各部位磨損量不一致，目視可看出只有局部出現(xiàn)磨損，且預(yù)估磨損量不超過0.01 mm，故采用精度0.001 mm 的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量，如圖3 所示，規(guī)定支承環(huán)試驗(yàn)前后涂層部位的準(zhǔn)確測(cè)量位置，每個(gè)支承環(huán)選定為軸向均布9 個(gè)位置的厚度進(jìn)行測(cè)量，如圖4 所示。將試驗(yàn)前后的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整理，計(jì)算出所有位置測(cè)量點(diǎn)的磨損量平均值、出現(xiàn)磨損部位的磨損量平均值及磨損嚴(yán)重部位的磨損量平均值。

圖3 三坐標(biāo)測(cè)量涂層磨損部位的厚度值Fig.3 Measuring the thickness of coating locality by using COMERO

圖4 支承環(huán)涂層部位測(cè)量位置Fig.4 Measuring positions of the locking plate coating locality

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀形貌、硬度及結(jié)合強(qiáng)度

采用大氣等離子噴涂工藝制備的鋁青銅-聚苯酯涂層微觀形貌如圖5(a)所示，涂層組織均勻，整體結(jié)構(gòu)類似蜂窩狀，其中灰色區(qū)域?yàn)榻饘傧啵谏珔^(qū)域?yàn)榫郾锦ヅc涂層孔隙，孔隙率為15.18%。考核試驗(yàn)后涂層微觀組織形貌如圖5(b)所示，臺(tái)架考核試驗(yàn)后涂層仍保持蜂窩狀，微觀組織形貌、孔隙率為15.84%，無明顯變化，說明考核試驗(yàn)對(duì)涂層微觀組織無明顯影響。

圖5 涂層顯微形貌：(a)噴涂態(tài)；(b)考核后Fig.5 Microstructure of coatings: (a) as-spayed; (b) after test

按照表2 所示的熱噴涂工藝參數(shù)制備鋁青銅-聚苯酯涂層，測(cè)試涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度結(jié)果分別列于表3、表4，拉伸結(jié)果均為100%涂層內(nèi)斷裂。由表3、表4 數(shù)據(jù)可知，本試驗(yàn)所制備的鋁青銅-聚苯酯涂層的硬度平均值89.6 HR15Y，結(jié)合強(qiáng)度≥22.3 MPa，能滿足減磨功能涂層硬度與結(jié)合強(qiáng)度的良好匹配。

表3 鋁青銅-聚苯酯涂層硬度結(jié)果Table 3 Hardness of Coatings

表4 鋁青銅-聚苯酯涂層結(jié)合強(qiáng)度Table 4 Bonding Strength of Coatings

2.2 目視檢測(cè)

考核試驗(yàn)后目視檢查支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層外觀情況，涂層部位完整、光滑，無開裂、剝離、剝落、嚴(yán)重磨損等異常情況，分析支承環(huán)是通過最外周均布的4 組螺栓對(duì)其進(jìn)行固定及支承，支承環(huán)直徑較大，徑向?qū)挾戎挥胁坏?0 mm，總體厚度只有6.5 mm 左右，總體軸向剛度較小，故試驗(yàn)后目視檢查支承環(huán)整圈涂層部位，只在均布4 處螺栓固定的附近涂層表面部位出現(xiàn)較明顯的磨損，見圖6 所示。

圖6 支承環(huán)試驗(yàn)后涂層磨損情況Fig.6 Abrasion status of locking plate coating after test

2.3 體視顯微鏡檢測(cè)

通過體視鏡對(duì)試驗(yàn)后的支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)涂層開裂、剝離、剝落、嚴(yán)重磨損等異常情況，涂層局部表面出現(xiàn)微量磨損現(xiàn)象，磨損部位呈褐色（見圖7(a)）；放大20 倍可見局部凹凸不平的磨損現(xiàn)象（見圖7(b)），屬于正常的磨損情況。

圖7 體式顯微鏡檢測(cè)：(a)正常磨損情況（7 倍）；(b) 凹凸不平的紅褐色磨損痕跡情況（20 倍）Fig.7 Stereoscop morophology: (a) natural abrasion status(7X); (b) rufous and accidented trace of the abrasion position (20X)

2.4 磨損量測(cè)量

本文對(duì)試驗(yàn)前后支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層的厚度進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算左、右支承環(huán)的平均磨損量及磨損位置的平均磨損量，結(jié)果見表5 所示。從表5 可以看出，支承環(huán)左環(huán)試驗(yàn)前的9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值為6.516 mm，厚度最大值為6.550 mm（⑨號(hào)位置），厚度最小值為6.483 mm（③號(hào)位置），厚度最大值與最小值相差達(dá)到0.067 mm；右環(huán)試驗(yàn)前的9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值為6.527 mm，厚度最大值為6.551 mm（⑤號(hào)位置），厚度最小值為6.493 mm（⑦號(hào)位置），厚度最大值與最小值相差0.058 mm，分析原因是由于支承環(huán)的剛度小、出現(xiàn)較大變形造成的。

表5 支承環(huán)涂層部位試驗(yàn)前后測(cè)量結(jié)果對(duì)比Table 5 Contrast of fore-and-aft measuring results of the locking plate coating locality

鋁青銅-聚苯酯支承環(huán)典型件左環(huán)試驗(yàn)后的9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值為6.515 mm，厚度最大值為6.547 mm（仍為⑨號(hào)位置），厚度最小值為6.483 mm（仍為③號(hào)位置），厚度最大值與最小值相差0.064 mm，單個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)前后最大差值（即局部點(diǎn)磨損量）為0.006 mm（⑤號(hào)位置）；右環(huán)試驗(yàn)后的9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的均值為6.525 mm，厚度最大值為6.547 mm（仍為⑤號(hào)位置），厚度最小值為6.493 mm（仍為⑦號(hào)位置），厚度最大值與最小值相差0.054 mm，單個(gè)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)前后最大差值為0.005 mm（①和⑨號(hào)位置）。

2.5 耐磨性能分析

對(duì)比整機(jī)考核試驗(yàn)前、后支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層外觀和磨損厚度的測(cè)量數(shù)據(jù)可知：(1)試驗(yàn)后測(cè)量支承環(huán)涂層部位厚度值，發(fā)現(xiàn)只在均布4 處存在明顯磨損痕跡，該處接觸位置的涂層厚度變化量較大，即支承環(huán)試驗(yàn)過程中并不能使整個(gè)涂層表面出現(xiàn)均勻一致的磨損量；(2) 支承環(huán)對(duì)應(yīng)同樣測(cè)量部位的前后測(cè)量厚度差值，即局部點(diǎn)的磨損量，左環(huán)最大磨損量為0.006 mm（為⑤號(hào)位置），右環(huán)最大磨損量為0.005 mm（為①和⑨號(hào)位置），該位置均是支撐區(qū)域，更容易磨損；(3) 左、右環(huán)最小磨損量為0（左環(huán)③號(hào)位置和右環(huán)⑦號(hào)位置），前后差值出現(xiàn)負(fù)值的左環(huán)②位置-0.001 mm 及右環(huán)②位置-0.002 mm，分析是前后測(cè)量點(diǎn)位置誤差造成的，上述計(jì)量沒有磨損量的位置與目視檢查未出現(xiàn)磨損的情況一致。

本文從4 個(gè)方面研究分析了支承環(huán)典型件鋁青銅-聚苯酯涂層的磨損量：(1) 考慮左、右環(huán)的9 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均磨損量分別為0.001 mm 和0.002 mm；(2) 只考慮出現(xiàn)磨損的部位，左、右環(huán)測(cè)量點(diǎn)的平均磨損量均為0.003 mm；(3)只考慮支承部位，即出現(xiàn)最嚴(yán)重磨損的①、⑤和⑨號(hào)三個(gè)位置，左環(huán)平均磨損量為0.004 mm，右環(huán)平均磨損量為0.005 mm；(4) 只考慮磨損最嚴(yán)重的局部位置點(diǎn)，左環(huán)最大磨損量為0.006 mm，右環(huán)最大磨損量為0.005 mm。

因典型件支承環(huán)尺寸大、剛性差，局部支承部位才會(huì)接觸上形成摩擦副并產(chǎn)生磨損，測(cè)量時(shí)存在測(cè)量點(diǎn)的位置（包括軸向和徑向）誤差，綜合評(píng)價(jià)鋁青銅-聚苯酯涂層的耐磨性能，從構(gòu)件失效判定準(zhǔn)則而言，應(yīng)以出現(xiàn)涂層磨損最嚴(yán)重位置的磨損量作為評(píng)判結(jié)果較為合理。

3 結(jié)論

(1) 本文采用大氣等離子噴涂工藝在典型零件支承環(huán)上制備了鋁青銅-聚苯酯耐磨涂層，涂層硬度89.6 HR15Y，結(jié)合強(qiáng)度25.5 MPa，涂層組織均勻、孔隙率為15.18%；

(2) 本文將高性能減磨功能鋁青銅-聚苯酯涂層典型試驗(yàn)件裝配于主減速器進(jìn)行整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速20000 r/min，輸入扭矩800 N·m，滑油溫度90～100℃，滑油壓力0.2～0.3 MPa，運(yùn)行時(shí)間50 h，采用目視和體視顯微鏡檢查臺(tái)架試驗(yàn)后的典型件涂層外觀狀態(tài)，通過高精度三坐標(biāo)測(cè)量方法計(jì)算涂層的磨損量，臺(tái)架考核試驗(yàn)結(jié)果表明，典型件鋁青銅-聚苯酯涂層完整、光滑，無開裂、剝離、剝落，涂層磨損最嚴(yán)重位置的磨損量?jī)H為0.006 mm，涂層耐磨性能優(yōu)異。