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        超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層適海性工藝研究

        2022-11-12 10:21:36曹圣兵
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2022年33期
        關(guān)鍵詞:外場鹽霧封孔

        丁 偉,曹圣兵

        (1.海軍裝備部,陜西西安 710000;2.慶安集團(tuán)有限公司,陜西西安 710077)

        前言

        超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層作為硬鉻鍍層替代工藝,在國內(nèi)外各類尤其是航空、水利領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,用于各類活塞桿零件表面防護(hù),效果優(yōu)異。某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動(dòng)筒活塞桿基體材料為18Cr2Ni4WA,表面防護(hù)工藝原為鍍硬鉻工藝,因外場使用過程中鍍層鼓包、脫落導(dǎo)致漏油故障頻發(fā),更換為超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層,涂層厚度為100~120 μm。防護(hù)涂層更換后鼓包、脫落及產(chǎn)品漏油故障大幅降低,但仍偶有發(fā)生。

        為進(jìn)一步提升超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層對活塞桿的防護(hù)能力,采用將涂層厚度增加至180~200 μm,并在涂層磨削后增加二次封孔處理,并進(jìn)行廠內(nèi)、外試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

        1 超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層適海性工藝研究

        1.1 原因分析

        某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動(dòng)筒活塞桿涂層厚度參照轉(zhuǎn)包航空產(chǎn)品要求涂層厚度為100~120 μm,經(jīng)航空產(chǎn)品多年驗(yàn)證使用防護(hù)效果良好,但某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動(dòng)筒在海水中使用,間斷性接觸海水,工作環(huán)境較常規(guī)航空零部件及水利零件惡劣,航空產(chǎn)品涂層厚度可能不滿足該產(chǎn)品防腐需求[2]。

        因兩項(xiàng)產(chǎn)品零件噴涂后進(jìn)行磨削,且磨削量較大,磨削過程中可能損傷封孔層。當(dāng)封孔層遭到損傷、破壞時(shí),腐蝕電位降低,海水進(jìn)入涂層幾率增加,涂層及基體腐蝕可能性增大,外場使用過程中海水自WC10Co4Cr 涂層表面進(jìn)入,腐蝕涂層中的粘接相;海水進(jìn)入涂層且涂層厚度不足時(shí),涂層腐蝕較快,海水可較快到達(dá)基體,此時(shí)優(yōu)先腐蝕基體并使基體產(chǎn)生腐蝕。隨著腐蝕產(chǎn)物體積膨脹,涂層局部區(qū)域出現(xiàn)鼓包、開裂甚至脫落現(xiàn)象,防護(hù)能力進(jìn)一步下降,導(dǎo)致附近區(qū)域基體銹蝕狀況加劇,涂層鼓包、脫落區(qū)域繼續(xù)增大。

        1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

        1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        WC10Co4Cr 涂層封孔處理可封閉涂層表層孔隙,降低腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層幾率,提高腐蝕電位,提高防護(hù)效果;厚度增加可延長介質(zhì)到達(dá)基體時(shí)間,減少貫通性孔隙出現(xiàn)的幾率。為提升超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層防護(hù)能力,增加封孔和厚度分別從兩個(gè)方向增強(qiáng)涂層防護(hù)作用[3]。

        1.2.1.1 按照改進(jìn)前、后兩種方案噴涂活塞桿模擬件,測試耐腐蝕性能

        鑒于某產(chǎn)品在東海、南海服役,停靠狀態(tài)下主要處于海洋性氣氛,工作狀態(tài)下活塞桿局部位于海水中,需經(jīng)受海水沖刷。為考核海洋性氣氛、海水沖刷兩種條件下活塞桿涂層耐腐蝕性,分別按照改進(jìn)前(涂層厚度100~120 μm+噴涂后一次封孔)、后(涂層厚度增加至180~200 μm,并在磨削后增加第二次封孔處理)噴涂6 件活塞桿模擬件,對比測試兩組活塞桿酸性鹽霧、海水飛濺性能。

        1.2.1.2 采用改進(jìn)后方案噴涂8 件活塞桿,跟蹤外場使用效果。

        采用改進(jìn)后方案分別噴涂4 件電液舵機(jī)、4 件側(cè)風(fēng)門作動(dòng)筒活塞桿,替換外場正在使用的活塞桿,實(shí)際考核6 個(gè)月觀察涂層表面狀態(tài)。

        1.2.2 改進(jìn)前、后耐腐蝕性對比測試

        1.2.2.1 試件準(zhǔn)備

        參照電液舵機(jī)活塞桿準(zhǔn)備12 件性能測試模擬件(示意圖見圖1),材料:18Cr2Ni4WA(技術(shù)條件:GJB1951-94)。表面E 進(jìn)行滲碳,滲層厚度0.4~0.8 mm,滲碳表面硬度HRC58~64,非滲碳表面硬度HRC35~48。E 表面要求如下:①粗糙度Ra0.4;②尺寸:Φ28(-0.250/-0.271)。用振動(dòng)筆在左端面依次標(biāo)記為H2-1~H2-6,B1-1~B1-6。

        圖1 模擬件示意圖

        試件加工完成后,采用DJ2700 超音速火焰噴涂系統(tǒng)噴涂12 件模擬件,噴涂材料為Stark558 粉末,封孔劑選用TCS-06 雙組份封孔劑[4]。B1 組模擬件工藝流程為噴涂+封孔→涂層磨削,磨削后涂層最終厚度為100~120 μm;H2 組模擬件工藝流程為噴涂+封孔→涂層磨削→二次封孔,磨削后涂層最終厚度為180~200 μm。B1 組、H2 組模擬件測試前表面狀態(tài)見圖2、圖3。與B1 組,H2 組涂層表面相比略發(fā)暗。

        圖2 B1 組模擬件試驗(yàn)前狀態(tài)

        圖3 H2 組模擬件試驗(yàn)前狀態(tài)

        1.2.2.2 酸性鹽霧測試[5]

        選擇B1 組3 件模擬件(B1-1、B1-2、B1-3)、H2組3 件模擬件(H2-1、H2-2、H2-3)進(jìn)行酸性鹽霧測試。試驗(yàn)條件:溫度35 ℃;鹽霧采用(5±1)%的NaCl溶液(pH 值為3.5±0.5,),鹽霧沉降率(1.0~3.0)mL/80cm2·h;單次循環(huán)周期48 h(24 h 連續(xù)噴霧和24h 干燥)。測試進(jìn)行至模擬件表面出現(xiàn)明顯銹蝕為止。酸性鹽霧測試結(jié)果見表1。

        表1 酸性鹽霧測試結(jié)果

        酸性鹽霧試驗(yàn)測試結(jié)果表明:H2 組模擬件經(jīng)34周期(1 632 h)酸性鹽霧后表面狀態(tài)較B1 組9 周期(432 h)酸性鹽霧試驗(yàn)后表面狀態(tài)好,H2 組酸性鹽霧耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的3.8 倍;B1 組涂層表面出現(xiàn)腐蝕花斑后,很快出現(xiàn)基體銹蝕的紅色產(chǎn)物;H2 組涂層表面出現(xiàn)黑色銹蝕后,需要較長時(shí)間才出現(xiàn)基體銹蝕(紅色銹蝕),銹蝕擴(kuò)展速度比較緩慢。

        1.2.2.3 海水飛濺測試

        選擇B1 組3 件模擬件(B1-4、B1-5、B1-6)、H2組3 件模擬件(H2-4、H2-5、H2-6)進(jìn)行海水飛濺測試。

        測試方案如下:模擬最嚴(yán)苛的南海水域工況配制溶液并進(jìn)行測試。具體方案為:仿照南海海水成分配制(溶液水溫:20~35℃;NaCl 質(zhì)量比:2.8~3.2%;PH值:7.8~8.3),在室溫條件下使溶液一定速度(10 m/s)濺射至模擬件,每個(gè)測試周期24 h,包括12 h 連續(xù)海水飛濺和12 h 靜置),進(jìn)行至基體表面出現(xiàn)明顯銹蝕為止。海水飛濺試驗(yàn)裝置示意圖見圖4,模擬件海水飛濺現(xiàn)場圖見圖5。

        圖4 海水飛濺試驗(yàn)裝置示意圖

        圖5 海水飛濺測試現(xiàn)場圖(靜置態(tài))

        海水飛濺測試結(jié)果見表2,海水飛濺后B1、H2 兩組模擬件表面狀態(tài)見圖6、圖7。

        圖6 B1 組6 周期(144 h)海水飛濺后

        圖7 H2 組67 周期(1 608 h)海水飛濺后

        表2 海水飛濺測試結(jié)果

        海水飛濺測試結(jié)果表明:H2 組經(jīng)過67 周期(1 608 h)海水飛濺試驗(yàn)后,僅1 件出現(xiàn)輕微花斑、變色;B1組經(jīng)過6 周期(144 h)海水飛濺后3 件均出現(xiàn)嚴(yán)重的紅色腐蝕。H2 組67 個(gè)周期海水飛濺測試后表面狀態(tài)較B1 組6 周期測試后狀態(tài)好,海水飛濺耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的11 倍;B1 組涂層表面出現(xiàn)腐蝕花斑后,很快出現(xiàn)基體銹蝕的紅色產(chǎn)物;H2 組涂層表面出現(xiàn)黑色銹蝕后,銹蝕擴(kuò)展速度比較緩慢,直至67 周期測試結(jié)束仍未出現(xiàn)紅色銹蝕。

        1.2.3 外場驗(yàn)證

        為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)方案防護(hù)性能,按改進(jìn)后方案(涂層厚度增加至180~200μm+磨削后增加二次封孔處理)噴涂某電液舵機(jī)、側(cè)風(fēng)門作動(dòng)筒活塞桿各4件,替換外場正在使用的活塞桿,實(shí)際使用6 個(gè)月,觀察活塞桿表面狀態(tài),驗(yàn)證超音速火焰噴涂工藝優(yōu)化改進(jìn)后的外場耐蝕能力。外場驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 改進(jìn)后活塞桿外場使用效果

        驗(yàn)證結(jié)果表明:8 件改進(jìn)后活塞桿經(jīng)6 個(gè)月外場考核后,涂層外觀良好,無鼓包、脫落現(xiàn)象。

        2 結(jié)論

        經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可得出以下結(jié)論:

        (1) 改進(jìn)方案耐腐蝕性能改善明顯,H2 組(180~200 μm +二次封孔涂層)酸性鹽霧、海水飛濺耐蝕性均遠(yuǎn)高于B1 組(100~120 μm +一次封孔涂層),其中酸性鹽霧耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的3.8倍,海水飛濺耐蝕性至少相當(dāng)于B1 組的11 倍。

        (2) 酸性鹽霧、海水飛濺兩種測試條件下,H2組表面出現(xiàn)黑色銹蝕后,銹蝕擴(kuò)展速度均比較緩慢,涂層銹蝕擴(kuò)散至基體銹蝕周期很長。

        (3) 外場實(shí)物驗(yàn)證效果表明,采用改進(jìn)后方案制備的活塞桿在外場使用效果良好,滿足某產(chǎn)品東海、南海工況下活塞桿表面防護(hù)要求。

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