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)
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]。
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
2.1.1 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
2.2.1 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
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
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)。
3.1.1 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
(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。