楊豐雷

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

1 概述

微動磨損廣泛存在于航空發(fā)動機(jī)多個結(jié)構(gòu)和零件中，例如滾動軸承、鉚接件、螺桂聯(lián)接件、榫槽、鍵、銷、錐套等零件。為了提高零部件的耐磨損性能，通常采用熱噴涂工藝在零部件的表面制備耐磨涂層。氣體爆炸噴涂工藝因其制備的涂層致密度高，與基體結(jié)合力強(qiáng)而成為制備耐磨、耐蝕層的優(yōu)選工藝，主要用于航空、航天和軍事等尖端領(lǐng)域。

氧-可燃?xì)獾谋▏娡抗に囀抢醚鹾涂扇細(xì)饣旌蠚怏w在點(diǎn)火爆炸時產(chǎn)生的高溫（達(dá)3400℃）和強(qiáng)烈的沖擊波將粉末材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，并以高速（最高達(dá)1300m/s）噴射到基體表面上。粉末粒子的動能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽咕植繙囟人查g可達(dá)4000℃左右，然后迅速冷卻（104～106℃/s），在基體表面形成高強(qiáng)度和高致密的涂層。對于制備高硬度的耐磨涂層，爆炸噴涂工藝簡單、運(yùn)行成本低。國內(nèi)目前采用爆炸噴涂工藝制備碳化物耐磨涂層，涂層厚度一般為0.20mm～0.30mm。本文采用爆炸噴涂工藝制備含氟化物的碳化鉻/鎳鉻涂層，進(jìn)行如下噴涂工藝試驗(yàn)：（1）一次性噴涂涂層，進(jìn)一步驗(yàn)證碳化鉻涂層的最佳厚度；（2）在涂層噴涂一定厚度后，冷卻12h后再進(jìn)行爆炸噴涂，驗(yàn)證涂層補(bǔ)噴的可行性；（3）對經(jīng)過上述兩種試驗(yàn)噴涂的性能試片進(jìn)行檢測及對比分析，研究涂層厚度對涂層力學(xué)性能的影響，同時探索為了增加涂層厚度，在冷卻時間過長的涂層表面上再噴涂涂層對涂層性能的影響機(jī)理。

表1 鎳鉻/碳化鉻粉末性能測試結(jié)果

表2 Cr3C2－NiCr粉末爆炸噴涂參數(shù)

表3 Cr3C2－NiCr涂層力學(xué)性能檢測結(jié)果

2 試驗(yàn)

2.1 材料與設(shè)備

（1）材料。噴涂試樣的基體材料為1Cr18Ni9Ti，屬于不銹鋼。噴涂材料為Cr3C2－NiCr粉末。粉末性能測試結(jié)果如下所示，粉末形貌如圖1所示：

（2）設(shè)備。噴涂所用設(shè)備為俄羅斯制造的氣體爆炸噴涂系統(tǒng)，以氧氣和乙炔氣作為爆炸氣體，壓縮空氣作為送粉氣。

涂層的顯微組織觀測采LEICA金相顯微鏡。

涂層結(jié)合強(qiáng)度采用電子拉力試驗(yàn)機(jī)。

涂層硬度測量采用表面洛氏硬度機(jī)及顯微硬度機(jī)。

2.2 噴涂工藝試驗(yàn)

本文采用的爆炸噴涂設(shè)備采用氧氣、乙炔做為燃燒源，氮?dú)鉃樗头蹥怏w，通過對上述噴涂粉末進(jìn)行多批次的工藝試驗(yàn)并對涂層性能進(jìn)行檢測分析，確定了北京鋼冶研究總院生產(chǎn)的Cr3C2－NiCr粉末爆炸噴涂工藝參數(shù)，如下所示：

圖1 Cr3C2－NiCr噴涂粉末形貌

圖2 Cr3C2－NiCr涂層顯微組織形貌

圖3 Cr3C2－NiCr涂層顯微組織形貌

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用已確定的爆炸噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行Cr3C2－NiCr涂層的制備，涂層厚度為0.35mm。涂層顯微組織結(jié)果如圖2所示，其他力學(xué)性能如表3所示。

爆炸噴涂的Cr3C2－NiCr涂層，涂層成波流狀，其間存在氧化物及孔洞。涂層與基體界面結(jié)合良好，但隨著涂層厚度的增加，涂層組織逐漸疏松，力學(xué)性能降低，所以該涂層最佳厚度為0.4mm以內(nèi)。對噴涂后涂層試片在大氣環(huán)境下放置12h以上后，在涂層表面繼續(xù)噴涂涂層。涂層顯微組織如圖3所示。

對噴涂兩層的微觀組織形貌進(jìn)行分析。兩層涂層最終厚度為0.6mm，涂層組織由不規(guī)則扁平狀相基體和彌散分布于其中的Cr3C2顆粒與少量的氧化物組成。涂層與基體的界面為不規(guī)則的凹陷和凸起結(jié)構(gòu)，兩者結(jié)合緊密。涂層內(nèi)部大量的碳化物和少量氧化物硬質(zhì)相的存在、涂層自身結(jié)構(gòu)致密，以及與基體合金的緊密結(jié)合無疑是有涂層試樣耐磨性能明顯優(yōu)異的最根本的原因。在放置12h后的涂層上再進(jìn)行噴涂涂層，從圖中明顯觀察到兩層涂層中有一條過渡帶，與兩側(cè)涂層組織并不相同，此條過渡帶是在噴涂第二層的過程中形成。過渡帶的形成，首先必須明確爆炸噴涂機(jī)理。爆炸噴涂過程中，粉末粒子地速度高達(dá)1200m/s以上。燃?xì)獗óa(chǎn)生強(qiáng)大地沖擊波，使動能極大的高溫粒子撞向基體，將能量傳給基體表面，使基體表面活化性能提高，活化原子增多。這樣基體部分活化原子和高能量的粉末粒子形成新的原子集團(tuán)，產(chǎn)生冶金結(jié)合，因此涂層結(jié)合強(qiáng)度較高。而在陶瓷涂層的上面再噴涂第二層時，由于陶瓷涂層本身比金屬基體的熔化溫度更高，在第二層的噴涂過程中，第一層變形較差，同時由于爆炸噴涂溫度較低，在兩層涂層的界面上將會產(chǎn)生未熔顆粒層。

對噴涂兩層的試片進(jìn)行熱震等破壞性加速試驗(yàn)，對試樣進(jìn)行金相分析，可以發(fā)現(xiàn)涂層失效位置都是在過渡帶。所以對于進(jìn)行修理的零件涂層，不可為了減少去除涂層的費(fèi)用而盲目在涂層上增加厚度。同時，不同類型的涂層也不能一概而論，所以需對各種類型的涂層材料及涂層工藝開展更為細(xì)致的研究。著力于使噴涂工藝、噴涂材料和涂層性能之間的有效配合，滿足零件涂層性能日益增長的需要。

4 結(jié)論

（1）采用爆炸噴涂工藝制備Cr3C2－NiCr涂層，爆炸噴涂涂層組織細(xì)密，呈河流狀層片分布，并且硬度均勻。與基體結(jié)合強(qiáng)度高。（2）碳化鉻涂層厚度增加，相應(yīng)涂層力學(xué)性能降低，所以涂層最佳厚度為0.4mm以內(nèi)。（3）對噴涂后試片進(jìn)行涂層厚度增長試驗(yàn)，并對涂層性能進(jìn)行檢測及分析，結(jié)合強(qiáng)度及熱震性能明顯下降。（4）確定Cr3C2－NiCr涂層最佳涂層厚度為0.6mm，涂層厚度過高將會引起涂層應(yīng)力過大，導(dǎo)致涂層結(jié)合強(qiáng)度下降。

[1]韓忠，趙暉.熱噴涂發(fā)展趨勢—一種新型高能高速噴涂方法[J].材料工程，1996．

[2]向昕，王俊，孫寶德.熱噴涂工藝對涂層摩擦磨損性能的影響[J].表面技術(shù)，2003．

[3]龍彥輝.爆炸噴涂工藝制備碳化鉻涂層[J].表面技術(shù)，2002．