趙金航

（中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司燎原分公司，陜西 漢中723200）

0 引言

超音速火焰噴涂（HVOF：High Velocity Oxygen Flame）是一種熱噴涂技術(shù)，它是利用氫氣、氮?dú)狻⒑娇彰河偷茸鋈剂?，用氧氣作助燃劑，將粉末送入高溫火焰，粉末（噴涂粒子）加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并加速到高達(dá)300～500 m/s或更高的速度，從而獲得結(jié)合強(qiáng)度高、致密的高質(zhì)量的涂層。超音速火焰噴涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高，且致密，耐磨性能優(yōu)越，其耐磨損性能大幅超過(guò)了電鍍硬鉻層。

超音速火焰噴涂在80年代初由美國(guó)BROWNING Engineering公司首先推出，近些年來(lái)，美國(guó)METCO公司以及SULZER集團(tuán)公司，UTP公司與WHITCO等公司，相繼研究出DIAMOND JET、CDS、TOPGUN和J—GUN等新型高速火焰噴涂設(shè)備，使熱噴涂技術(shù)步入新境界。目前，基于超音速火焰噴涂特有的長(zhǎng)處，使其成為熱噴涂高技術(shù)的一種標(biāo)志，它以雄勁的優(yōu)勢(shì)跨入商業(yè)市場(chǎng)，各行各業(yè)爭(zhēng)相采用。經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，波音公司和道蒂公司已將HVOF噴涂工藝成熟運(yùn)用于飛機(jī)起落架零件上。而國(guó)內(nèi)，HVOF噴涂工藝為提高飛機(jī)起落架某些關(guān)鍵零件的壽命，已在起落架零件上得以應(yīng)用。

本文所研究的涂層是使用SM5847（WC10Co4Cr）粉末，采用超音速火焰噴涂方法在300M鋼上所制得的涂層。該涂層可用于耐磨、耐蝕和耐熱，也可替代電鍍鉻進(jìn)行工件尺寸修復(fù)[1]。

1 超音速火焰噴涂（HVOF）工作原理

HVOF是在傳統(tǒng)的火焰噴涂基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的高速噴涂技術(shù)。它的基本原理如圖1所示，利用可燃?xì)怏w或液體與氧氣混合，在燃燒室點(diǎn)燃，劇烈膨脹的氣體受水冷噴嘴的約束形成超音速高溫火焰流，受到加熱與加速噴出，在基體表面形成覆蓋層。

圖1 3種噴槍的工作原理

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 設(shè)備

2.1.1 送粉器設(shè)備

采用瑞士UniCoat+WokaStar組成超音速火焰噴涂系統(tǒng)，并通過(guò)控制柜實(shí)現(xiàn)噴涂過(guò)程的自動(dòng)化操作和實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)系統(tǒng)的故障立即做出響應(yīng)；采用氮?dú)鉃樗头蹥猓勰╇S著底部送粉螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)粉末出口，連同送粉氣一同進(jìn)入噴槍內(nèi)。送粉器設(shè)備如圖2所示。

圖2 火焰噴涂設(shè)備用送粉器

2.1.2 火焰噴涂的主體設(shè)備

火焰噴涂的主體設(shè)備由抽風(fēng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、機(jī)床和機(jī)械臂等部分組成，用于試件和零件的火焰噴涂層加工，見圖3。

圖3 火焰噴涂主體設(shè)備

2.1.3 火焰噴涂的噴槍

采用WokaStar600噴槍實(shí)現(xiàn)噴涂（見圖4），使用航空煤油作為燃料，氧氣為助燃?xì)怏w，通過(guò)槍管作用產(chǎn)生超音速焰流。通過(guò)紅外線測(cè)溫儀檢測(cè)噴涂過(guò)程中工件的表面溫度，預(yù)防過(guò)燒。

圖4 火焰噴涂設(shè)備用噴槍

2.1.4 火焰噴涂前處理吹砂設(shè)備

為了火焰噴涂前零件表面粗化，提高噴涂層與基體的結(jié)合力和結(jié)合強(qiáng)度，采用圖5所示的噴涂用吹砂設(shè)備。

圖5 火焰噴涂用吹砂設(shè)備

2.1.5 結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)設(shè)備

結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)設(shè)備，采用長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司拉伸試驗(yàn)機(jī)KeXin WDW-500。

2.1.6 結(jié)合力檢測(cè)設(shè)備

試件結(jié)合力檢測(cè)采用彎折試驗(yàn)器，如圖6所示。

圖6 結(jié)合力檢測(cè)設(shè)備

2.2 材料

2.2.1 噴涂材料

SM5847（WC10Co4Cr），屬于團(tuán)聚燒結(jié)粉末，符合規(guī)范AMS 7882，粉末形貌見圖7?；瘜W(xué)成分見表1。

圖 7SM5847（WC10Co4Cr）粉末形圖貌

表1 SM5847粉的化學(xué)成分

2.2.2 試樣材料

（1）金相、彎曲結(jié)合力試樣

彎曲結(jié)合力試樣材料為300M鋼，規(guī)格76 mm×25 mm×1.3 mm，數(shù)量3件；涂層厚度25 μm～76 μm；金相試樣在結(jié)合力試樣上取樣，3件上各取一件，編號(hào)為J1、J2和J3。試件規(guī)格見圖8。

圖8 彎曲、金相試件

（2）結(jié)合強(qiáng)度試樣

結(jié)合強(qiáng)度試樣規(guī)格為Φ25 mm×50 mm，數(shù)量為2 個(gè)，螺紋為 M10，涂層厚度 200 μm ～ 250 μm。結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)分為3組，每組2件試樣，第一組編號(hào)為1#和2#，第二組編號(hào)為3#和4#，第三組編號(hào)為5#和6#；試樣規(guī)格見圖9。

圖9 結(jié)合強(qiáng)度試樣

2.3 涂層性能檢測(cè)技術(shù)條件

彎曲試驗(yàn)：目視檢查彎曲部位（見圖10），不應(yīng)出現(xiàn)涂層剝落或涂層與基體分離。涂層開裂或在邊角出現(xiàn)少量剝落應(yīng)視為合格。

圖10 彎曲試驗(yàn)

金相試驗(yàn)：對(duì)涂層進(jìn)行金相檢測(cè)，涂層金相檢查的要求孔隙率＜1%，不允許微裂紋，碳化物分均勻布，無(wú)條帶或團(tuán)聚，界面污染＜10%，夾雜＜1%，顯微硬度HV0.3＞950。

結(jié)合強(qiáng)度：每個(gè)試樣涂層的結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)大于70 MPa，結(jié)合強(qiáng)度膠結(jié)后的試樣見圖11。

圖11 結(jié)合強(qiáng)度膠結(jié)后試樣

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

工藝流程：噴前準(zhǔn)備→清洗、測(cè)量→噴砂→檢驗(yàn)→噴涂→檢測(cè)→檢驗(yàn)→涂層測(cè)厚→性能檢測(cè)。

主要工序說(shuō)明：

居住建筑內(nèi)部空間的形象定位主要取決于房間的空間尺度，比如商品房、經(jīng)濟(jì)適用房、福利房、私房、廉租房等不同屬性的空間具有不同的尺度，這些尺度都應(yīng)符合人體工學(xué)的原理。在確定每種屬性的空間尺度后，應(yīng)考慮比例關(guān)系，適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用現(xiàn)有空間，也可對(duì)現(xiàn)有空間進(jìn)行改造，最終形成空間尺度的對(duì)比、統(tǒng)一[2]。

（1）SM5847粉末的烘干

粉末在受潮狀態(tài)下進(jìn)行噴涂，不僅會(huì)影響送粉效率，而且可能會(huì)增加涂層中的未熔顆粒，影響涂層的沉積質(zhì)量。因此，在進(jìn)行HVOF噴涂時(shí)，必須將SM5847粉末進(jìn)行烘干。烘干使用恒溫干燥箱，烘干溫度110℃，烘干時(shí)間2 h[2]。

（2）清理

使用丙酮、無(wú)水酒精等去除試件或工件待處理表面的油污。

（3）吹砂

采用 54-60# 棕剛玉砂、壓力 4.2～5.5 kgf/mm2、吹砂距離（指吹砂嘴出口與工件表面之間的距離）150～200 mm。吹砂后應(yīng)使用粗糙度儀測(cè)試表面粗糙度。吹砂后的粗糙度應(yīng)為Ra 3.0～3.8。吹砂處理后，噴涂涂層與吹砂之間間隔不得超過(guò)2 h[2]。

在吹砂時(shí)，建議吹砂角度采用60°。如果采用垂直噴射，有可能將砂粒嵌入基體，見圖12。

圖12 垂直吹砂，砂粒嵌入基體

（4）噴涂

操縱Fanuc ARC Mate 120IB/M-16iB機(jī)械手的示教操作盒進(jìn)行編程，采用的噴涂工藝參數(shù)見表2。

表2 噴涂WC10Co4Cr涂層工藝參數(shù)

基體預(yù)熱溫度50℃～60℃，在整個(gè)噴涂過(guò)程中，需要時(shí)刻監(jiān)測(cè)零件溫度，最高溫度不能超過(guò)150℃。

采用表2中試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行3組工藝試驗(yàn)（結(jié)合力、金相一組1片，結(jié)合強(qiáng)度每組2件）。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 性能檢測(cè)結(jié)果

3.1.1 結(jié)合力

使用彎折試驗(yàn)器檢測(cè)試件結(jié)合力，3件試樣彎曲外徑處涂層無(wú)起皮、脫落現(xiàn)象，檢測(cè)均合格。試件彎曲試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見圖13。

圖13 彎曲試驗(yàn)檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果表明：噴涂前吹砂可以使試樣噴涂表面粗化，獲得較為優(yōu)質(zhì)的表面清潔度與粗糙度，增加涂層與基體材料間的接觸面，增大涂層與基體材料的結(jié)合力

3.1.2 金相

從彎曲試驗(yàn)上未被破壞的部位選取試樣制成金相試樣，使用金相顯微鏡檢測(cè)試樣的金相組織，用克努普硬度機(jī)檢測(cè)涂層硬度值，試件的檢測(cè)結(jié)果如表3所示；金相組織結(jié)構(gòu)見圖14、圖15。試驗(yàn)結(jié)果表明涂層的硬度、氧化物、孔隙率、界面分離、未融顆粒、界面污染和碳化物分布符合涂層技術(shù)要求。

表3 金相檢測(cè)結(jié)果表

圖14 涂層金相組織圖（200x）

圖15 HVOF涂層的顯微組織（400×）

表明氧氣、煤油含量（氧氣和煤油的混合比）是HVOF超音速火焰噴涂制備涂層的關(guān)鍵工藝參數(shù)，直接影響待噴粉末的加熱熔化狀況，粉末熔化不充分將直接影響涂層金相組織。同時(shí)，該參數(shù)亦影響噴涂速率、沉積效率和涂層質(zhì)量[4]；送粉速率直接影響涂層的沉積效率，而且涂層中可能含有未熔化的顆粒，進(jìn)而影響涂層的金相組織。

3.1.3 結(jié)合強(qiáng)度

使用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)，加載速度應(yīng)為1.27 mm/min，膠接的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)至拉斷后強(qiáng)度大于70 MPa，檢測(cè)結(jié)果均合格，檢測(cè)結(jié)果見表4；檢測(cè)后的試樣見圖16。

表4300 M鋼材料結(jié)合強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

圖16 結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)合格后試件

由結(jié)果可知，噴涂前吹砂使零件噴涂金屬表面粗化，獲得較為優(yōu)質(zhì)的表面清潔度與粗糙度，增加涂層與基體材料間的接觸面，可以進(jìn)一步提高涂層與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度[3]。噴涂前吹砂與結(jié)合強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖17。

圖17 表面粗糙度與涂層結(jié)合強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

（1）室驗(yàn)采用超音速火焰噴涂制備的WC10Co4Cr涂層表面均勻致密，涂層與基材的界面結(jié)合緊密，結(jié)合力檢測(cè)合格，無(wú)剝落現(xiàn)象；

（2）采用研究的工藝參數(shù)噴涂的零件涂層硬度、氧化物、孔隙率、界面分離、未融顆粒、界面污染和碳化物分布、結(jié)合強(qiáng)度檢測(cè)均合格，可用于產(chǎn)品的加工。

（3）吹砂后基體表面的表面粗糙度對(duì)涂層與基體的結(jié)合力和結(jié)合強(qiáng)度影響較大。