基于超音速火焰噴涂的飛機(jī)燃油泵電機(jī)轉(zhuǎn)軸修復(fù)技術(shù)研究

陳宇鵬， 謝楚炎， 杜鵬程， 張 巖， 高名傳

(1.凌云科技集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430030；2.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)武漢材料保護(hù)研究所有限公司， 湖北 武漢 430030；3.特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430030)

0 前 言

戰(zhàn)機(jī)在服役過(guò)程中，零部件受復(fù)雜力和環(huán)境載荷的作用產(chǎn)生腐蝕、磨損或疲勞裂紋等損傷，影響飛行安全以及作戰(zhàn)性能發(fā)揮。 直接更換受損零部件將造成巨大的物料浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。 采用表面工程技術(shù)對(duì)航空零部件進(jìn)行維修和再制造，準(zhǔn)確恢復(fù)廢舊產(chǎn)品的尺寸，提升零部件表面耐磨、抗蝕等性能，對(duì)于提升資源利用率，降低使用和維護(hù)成本具有重要的意義[1-3]。

超音速火焰噴涂(High Velocity Oxy-Fuel，HOVF)是一種重要的增材制造技術(shù)，其利用工業(yè)純氧與煤油混合燃燒產(chǎn)生高溫、高速焰流為噴涂粒子提供較高的飛行速率和相對(duì)較高的溫度，特別適合噴涂WC 涂層等金屬陶瓷涂層材料以提升零部件的耐磨、耐蝕性能[4]。 馬寧等[5]利用超音速火焰噴涂技術(shù)在裝載機(jī)驅(qū)動(dòng)橋差速器的十字軸表面噴涂WC-12Co 涂層，恢復(fù)了軸的直徑尺寸，并大大改善了十字軸的耐磨性。 王耀芳等[6]采用超音速火焰噴涂超細(xì)WC-Co 涂層修復(fù)煤磨機(jī)齒輪軸，WC-Co 噴涂層的硬度顯著高于電鍍層的，耐磨性大幅提升，修復(fù)后軸承經(jīng)裝機(jī)使用1 a 沒(méi)有出現(xiàn)明顯磨損。 然而WC 涂層的耐磨性與涂層的顯微結(jié)構(gòu)，即與涂層的噴涂工藝密切相關(guān)。 較高的涂層硬度、致密度和斷裂韌性均有助于提升涂層的耐磨性能[7]。在修復(fù)操作中需明確涂層的最佳工藝參數(shù)，掌握最佳的修復(fù)及再制造工藝。

電動(dòng)離心式燃油泵是飛機(jī)燃油系統(tǒng)關(guān)鍵部件，起到輸送燃油，平衡飛機(jī)燃油重量的重要功能。 電動(dòng)機(jī)在7 600 r/min 的高速旋轉(zhuǎn)下，電機(jī)轉(zhuǎn)軸與配合的皮碗橡膠高速摩擦，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸工作面的磨損和破壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致密封性能完全失效。 本工作采用超音速火焰噴涂技術(shù)在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸2Cr13 不銹鋼基體表面噴涂WC 硬質(zhì)合金涂層，通過(guò)改變噴涂煤油流量掌握噴涂粒子速度和溫度對(duì)涂層組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并獲取最佳的噴涂工藝參數(shù)。 將超音速火焰噴涂修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)轉(zhuǎn)子軸修復(fù)，成功實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)子的再制造。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及噴涂工藝

基體材料為與轉(zhuǎn)子軸相同的2Cr13 不銹鋼，噴涂試驗(yàn)之前，用丙酮清洗基體表面，經(jīng)噴砂處理后，用壓縮空氣清洗基體表面殘余砂礫。 噴涂粉末為商用WC-12Co 粉末，粉末粒度35 ～53 μm。 為避免粉末的團(tuán)聚，噴涂前粉末在120 ℃下保溫1 h。 采用GTV K2 型超音速火焰噴涂系統(tǒng)在2Cr13 基體表面噴涂300 μm WC-12Co 涂層，以Ar 氣作為送粉氣體。 氧氣流量取850 L/min，煤油供油流量分別取15，20，25 L/h，噴涂距離360 mm。 采用GTV NIR-Sensor 熱噴涂在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)(圖1)測(cè)試噴涂粒子的溫度和速率。

圖1 NIR-Sensor 熱噴涂在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)示意Fig.1 NIR-Sensor thermal spray online detection system

1.2 性能表征

采用WHV-1000AMT 觸摸屏自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度，載荷為2.94 N，保壓10 s，取10 次測(cè)量的平均值。 依據(jù)GB/T8642“熱噴涂 抗拉結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)定”，采用拉伸法測(cè)試涂層的結(jié)合強(qiáng)度，采用E7 膠進(jìn)行粘接、固化，取3 組試樣的平均值[8]。

采用WHV-50MDX 型宏觀維氏硬度計(jì)在涂層截面測(cè)試涂層的斷裂韌性，加載載荷49 N，加載時(shí)間15 s，使用DMI8-C 徠卡金相顯微鏡對(duì)壓痕及裂紋進(jìn)行拍照。采用公式(1)[9]計(jì)算涂層的斷裂韌性，式(1)需滿(mǎn)足0.6＜c/a＜4.5，公式如下:

式中，KIC為斷裂韌性，MPa·m1/2；P為施加載荷，N；a為壓痕對(duì)角線(xiàn)半長(zhǎng)，μm；c為壓痕中心至裂紋尖端長(zhǎng)度，μm。

采用MXW-1 型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試基體及涂層的摩擦學(xué)性能，摩擦副選用Si3N4陶瓷球。 試驗(yàn)前WC-12Co 涂層樣品依次采用200，600，800，1 000 號(hào)砂紙打磨后拋光。 測(cè)試條件為干摩擦、載荷100 N、頻率2 Hz、振幅為4 mm，時(shí)間為60 min。 試驗(yàn)結(jié)束后采用白光共聚焦三維形貌測(cè)試儀分析磨痕的形貌及磨痕深度。 通過(guò)Origin 軟件積分求得磨痕橫截面積和體積來(lái)計(jì)算比磨損率。 比磨損率計(jì)算公式(2) 如下:

式中，V為磨痕體積，mm3；f為滑動(dòng)頻率，Hz；t為磨損時(shí)間，s；s為往復(fù)行程，mm；F為施加的載荷，N。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴涂粒子的溫度及速率

Tillmann 等[10]測(cè)試了不同煤油和氧氣流量下的粒子溫度和速率，在煤油流量和氧氣流量2 個(gè)噴涂參數(shù)中，煤油流量是影響粒子溫度和速率最為重要的因素。圖2 為采用NIR-Sensor 熱噴涂在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試的氧氣流量為850 L/min(下同)、不同煤油流量噴涂的WC-12Co 噴涂粒子的溫度和速率。

圖2 噴涂粒子速率和溫度測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of spraying particle velocity and temperature

由圖2 可知，隨著煤油流量從15 L/h 增大至20 L/h和25 L/h，噴涂粒子的溫度從約1 360 ℃分別增大至1 630 ℃和1 858 ℃，粒子的速率從578 m/s 分別增大至690 m/s 和777 m/s。 當(dāng)氧氣的流量不變時(shí)，煤油流量的增大導(dǎo)致了燃燒室內(nèi)部壓力增大，燃?xì)饬吭龆?，由拉瓦爾管引出的焰流速率和溫度均顯著提升。 在高速焰流的牽引和加熱作用下，噴涂粒子的速率和溫度均有明顯地增大。 通常用λ 值表示燃料和氧氣的比例，該比例越大，噴涂粒子的速率和溫度越高，制備的涂層越致密，反之，涂層越疏松[11]。

2.2 涂層的顯微結(jié)構(gòu)及孔隙率

圖3 和圖4 分別為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的微觀結(jié)構(gòu)以及孔隙率。 由圖3、圖4 可知，煤油流量為15 L/h 時(shí)，涂層內(nèi)部含有數(shù)量較多、孔徑明顯且連續(xù)的微孔洞，直徑約為2～3 μm，涂層孔隙率約為5.0%；當(dāng)煤油流量增大至20 L/h 時(shí)，涂層內(nèi)部孔隙數(shù)量及孔隙直徑均明顯降低，直徑＜1 μm，涂層孔隙率降低至2.9%；煤油流量為25 L/h 時(shí)，涂層結(jié)構(gòu)致密，無(wú)明顯孔隙存在，涂層孔隙率降低至0.7%。 該孔隙率的變化趨勢(shì)與噴涂粒子速率和粒子溫度的變化趨勢(shì)一致。 煤油流量為15 L/h 時(shí)，WC-12Co 粒子溫度約為1 360 ℃，低于金屬Co 的熔點(diǎn)1 490 ℃[12]，此時(shí)噴涂粒子尚處于軟化狀態(tài)，涂層孔隙率較高，但在粒子高速?zèng)_擊作用下涂層仍具有相對(duì)較低的孔隙率，且涂層內(nèi)部沒(méi)有觀察到未熔融顆粒特征。 當(dāng)煤油流量為20 L/h 和25 L/h 時(shí)，噴涂粒子溫度為1 630 ℃和1 858 ℃，超過(guò)Co 的熔點(diǎn)，噴涂粒子處于完全融化狀態(tài)。 在高速?zèng)_擊作用下，涂層獲得了較低的孔隙率，且粒子速率越大，涂層孔隙率越低。 Pasandideh-Fard 等[13]的研究同樣表明，噴涂粒子的速率在降低涂層孔隙率方面起主導(dǎo)作用。

圖3 不同煤油流量涂層的顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructureof the coating with different kerosene flow rate

圖4 不同煤油流量涂層的孔隙率Fig.4 Porosity of the coating with different kerosene flow rate

2.3 涂層的力學(xué)性能

圖5 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的顯微硬度與孔隙率對(duì)應(yīng)關(guān)系。 由圖5 可以看出， WC-12Co涂層的孔隙率為5.0%、2.9%和0.7%時(shí)對(duì)應(yīng)的涂層硬度分別為705 HV0.3、890 HV0.3和1 125 HV0.3，涂層的孔隙率越大，涂層的硬度越低。 對(duì)于WC 涂層，影響涂層硬度的因素有WC 的分解和孔隙率， 在2.94 N 的載荷下，上述以煤油流量15、20、25 L/h 噴涂的3 種涂層壓痕尺寸約為20 ～35 μm，根據(jù)圖3 金相形貌顯示，該壓痕尺寸能夠覆蓋大部分的孔隙，因此在材料相同的情況下孔隙率是影響涂層顯微硬度的主要因素[14]。

圖5 涂層的顯微硬度與孔隙率關(guān)系Fig.5 Microhardness of the coating is related to the porosity

采用宏觀維氏硬度計(jì)在涂層表面施加49 N 載荷，經(jīng)測(cè)量，以煤油流量15、20、25 L/h 噴涂WC-12Co 涂層的裂紋長(zhǎng)度分別為202、168、136 μm。 根據(jù)公式(1)計(jì)算求得涂層斷裂韌性(見(jiàn)圖6)分別為3.69、4.35、5.15 MP·m1/2。 圖7 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的裂紋擴(kuò)展形貌。 從圖7 可知，15 L/h 的煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的裂紋在壓頭尖端附近產(chǎn)生，并沿孔隙擴(kuò)展(圖7b)。 孔隙往往是粒子的弱結(jié)合部位，在壓力載荷的驅(qū)動(dòng)下，裂紋易在孔隙間產(chǎn)生[15]。 以20 L/h和25 L/h 煤油流量噴涂涂層的裂紋產(chǎn)生于壓痕尖端，或尖端附近的孔隙，并在壓力載荷的驅(qū)動(dòng)下沿黏結(jié)相擴(kuò)展(圖7b、7c)。 由此可知，涂層的孔隙率越高，涂層的韌性越低，在外界應(yīng)力的作用下涂層越容易產(chǎn)生裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致涂層的失效[16，17]。

圖6 不同煤油流量涂層的斷裂韌性Fig.6 Fracture toughness of the coating with different kerosene flow rate

圖7 不同煤油流量的涂層裂紋擴(kuò)展形貌Fig.7 Indentation morphology of the coating with different kerosene flow rate

圖8 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。 從圖8 可知，以煤油流量15、20、25 L/h噴涂WC-12Co 涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度分別為48、55、74 MPa。 根據(jù)圖2 給出的結(jié)果，煤油流量越高噴涂粒子的速率和溫度越高。 均高于以較低煤油流量噴涂的涂層的，噴涂粒子與噴砂表面的“咬合”作用強(qiáng)，涂層與基體的結(jié)合力大。 相關(guān)的研究結(jié)果同樣證明，噴涂粒子速率越高，涂層的結(jié)合力越大[18]。

圖8 不同煤油流量涂層的結(jié)合強(qiáng)度Fig.8 Adhesion strength of the coating with different kerosene flow rate

2.4 涂層的磨損性能

圖9 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的磨痕輪廓及比磨損率。

圖9 不同煤油流量涂層的磨痕輪廓和比磨損率Fig.9 Outline abrasion and specific wear rate of the coating with different kerosene flow rate

從圖9a 可以看出，煤油流量為25 L/h 時(shí)涂層的磨痕面積最小，磨痕深度約為4.1 μm；煤油流量降至20 L/h 和15 L/h 時(shí)涂層的磨痕面積逐漸增大，磨痕深度分別增大至6.7 μm 和9.3 μm。 由圖9b 可知，隨著涂層硬度的降低，涂層的磨損量增大，煤油流量為25、20、15 L/h 時(shí)涂層的比磨損率分別為1.6×10-8、3.5×10-8、5.2×10-8mm3/(N·m)。 影響涂層磨損性能的因素有涂層硬度、孔隙率、斷裂韌性等參數(shù)[7]。 煤油流量為15 L/h 時(shí)涂層的孔隙率最大，硬度和斷裂韌性均最小，由于摩擦副接觸中涂層容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致硬質(zhì)顆粒的剝落。 煤油流量增大至25 L/min 時(shí)，涂層的硬度增大，孔隙率降低，硬質(zhì)相粒子結(jié)合緊密，由于涂層與摩擦副的摩擦過(guò)程中硬質(zhì)相與Co 黏結(jié)相難以脫落，因此磨損量小。

綜上所述，通過(guò)調(diào)節(jié)噴涂的燃料/氧氣的比例可以調(diào)控噴涂粒子的溫度和速率，進(jìn)而掌握涂層組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的變化規(guī)律。 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，較高的涂層硬度和斷裂韌性有助于提升涂層的耐磨性能，進(jìn)而指導(dǎo)噴涂工藝設(shè)計(jì)。 以850 L/min 的氧氣流量和25 L/h 的煤油流量噴涂的WC-12Co 涂層，其力學(xué)性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)致密，可作為電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的修復(fù)工藝參數(shù)。

3 電機(jī)轉(zhuǎn)子軸修復(fù)應(yīng)用

采用砂輪對(duì)修復(fù)部位進(jìn)行打磨，去除磨損痕跡，磨削后允許最小直徑尺寸不低于φ6.9 mm。 對(duì)修復(fù)部位表面進(jìn)行噴砂處理，噴砂清潔度達(dá)Sa3.0 級(jí)，粗糙度Rz不低于20 μm。 采用GTV K2 型超音速火焰噴涂系統(tǒng)在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸修復(fù)部位表面噴涂350 μm 的WC-12Co涂層，氧氣流量取850 L/min，煤油流量25 L/h，噴涂距離360 mm。 噴涂處磨外圓至φ7.4 ～7.5 mm，跳動(dòng)量不大于0.02 mm，表面粗糙度Ra不大于0.2 μm。 修復(fù)后的電機(jī)轉(zhuǎn)子放入烘箱中進(jìn)行回火處理，回火溫度(140±10) ℃，時(shí)間不少于3 h。 對(duì)加工部位進(jìn)行磁粉探傷，無(wú)裂紋。

對(duì)修復(fù)后的電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，分別運(yùn)行300 h 和1 000 h。 測(cè)量修復(fù)部位的直徑變化，運(yùn)行300 h 和1 000 h 修復(fù)部位直徑減少量分別為0.013 mm 和0.010 mm，僅表現(xiàn)為輕微擦傷，密封性能良好，滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié) 論

采用超音速火焰噴涂的方法，通過(guò)調(diào)控煤油流量獲得了噴涂粒子速率和溫度變化規(guī)律，掌握了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸超音速火焰噴涂修復(fù)工藝方法，具體結(jié)論如下:

(1)煤油流量為25 L/h 時(shí)噴涂粒子速率最大、溫度最高，制備的涂層其孔隙率最低，硬度和斷裂韌性最大，涂層的結(jié)合強(qiáng)度最高。 摩擦學(xué)試驗(yàn)表明涂層結(jié)構(gòu)越致密、硬度越高，涂層的耐磨性能越好；

(2)采用超音速火焰噴涂WC-12Co 涂層對(duì)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)了其尺寸。 轉(zhuǎn)子軸運(yùn)行300 h 和1 000 h 后表面僅有輕微擦傷，使用壽命顯著提升。