張艷琳，李艷，黃建軍，韓勇，李吳寰

（1.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106；2.成都國營錦江機(jī)械廠，四川 成都 610043；3.空軍第一航空學(xué)院，河南 信陽 464000）

1 前言

隨著航空修理水平的不斷提高，高效、高質(zhì)量的修理在行業(yè)內(nèi)顯得十分重要。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)零組件噴漆的質(zhì)量，縮短產(chǎn)品修理周期，航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件噴漆行業(yè)中，尋求更專業(yè)、高效的涂層測(cè)厚方法在近年來也越來越重要。

縱觀航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理噴漆技術(shù)的發(fā)展歷程，在影響零組件表面噴漆質(zhì)量的因素中，涂層厚度的控制變得愈加重要。航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件涂層厚度直接影響了零件裝配尺寸配合及發(fā)動(dòng)機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。先進(jìn)的涂層檢測(cè)手段可以在提高工作效率的同時(shí)，盡可能減少零件裝機(jī)后使用過程中表面漆層的損傷。航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程中，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)上噴涂石墨層是為了改善氣缸與活塞磨合初期的潤滑條件，多年來，工廠在活塞發(fā)動(dòng)機(jī)修理中，一直采用鱗片石墨粉調(diào)配石墨涂層，該涂層與國外購買的活塞石墨層相比，外觀較粗糙，手觸不光滑。

為了提高噴涂石墨層的外觀質(zhì)量，工廠研制了使用新型石墨粉代替原鱗片石墨粉調(diào)配石墨涂層，并在調(diào)配規(guī)程中添加了鋼珠并用震蕩混油機(jī)震蕩研磨，進(jìn)而使噴涂后的活塞表面涂層更加光滑、細(xì)膩。而活塞表面涂層在噴涂完成后，需使用測(cè)量手段使涂層厚度控制在一定工藝范圍內(nèi)。工廠此前涂層測(cè)量方法均為接觸式涂層測(cè)厚方法（磁性測(cè)厚儀），該方法對(duì)活塞類曲面零件表面涂層測(cè)量存在弊端，易導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確等，造成產(chǎn)品修理質(zhì)量存在隱患。

現(xiàn)改進(jìn)的非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)在涂層噴涂后厚度測(cè)量的應(yīng)用不僅能保證涂層測(cè)量值的準(zhǔn)確度，更能有效避免因接觸式涂層測(cè)厚方法，對(duì)曲面產(chǎn)品表面涂層測(cè)量厚度準(zhǔn)確率低而導(dǎo)致的產(chǎn)品返工及裝機(jī)試車后存在涂層因超厚導(dǎo)致脫落的風(fēng)險(xiǎn)?；诖耍陙?，涂層檢測(cè)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)噴涂上的應(yīng)用從傳統(tǒng)的接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)手段到非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)都有不同程度的發(fā)展，而活塞表面石墨層厚度使用光熱法非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，使得活塞表面涂層的噴涂技術(shù)手段也愈加成熟。

2 涂層厚度檢測(cè)技術(shù)

2.1 接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)

接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用較為廣泛，也更加成熟，其中常用的有磁性測(cè)厚儀及超聲波測(cè)厚儀，均為接觸式無損檢測(cè)手段。主要用于產(chǎn)品噴涂完成后的表面干燥涂層厚度測(cè)量，因噴涂工藝中，涂層厚度控制嚴(yán)格，產(chǎn)品厚度過低或者過高均會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品修理質(zhì)量降低并造成返工率高及修理成本的增加。

接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)只能應(yīng)用于干燥后的涂層測(cè)量，對(duì)未干燥的濕涂層則不能進(jìn)行測(cè)量，除了會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值不準(zhǔn)確外，濕涂層與測(cè)量儀接觸會(huì)造成涂層損傷，破壞其完整性。同時(shí)，接觸式涂層測(cè)厚技術(shù)為保證測(cè)量準(zhǔn)確度只能測(cè)量平面涂層，而針對(duì)曲面零件表面涂層，使用該方法進(jìn)行測(cè)量會(huì)使測(cè)量值不準(zhǔn)確。因此，接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)雖應(yīng)用成熟，但仍存在許多弊端。

2.2 非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)

非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)屬于涂層測(cè)量的新技術(shù)，本次研究應(yīng)用的為光熱法非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)通過熱層測(cè)試法，涂層經(jīng)過瞬間脈沖加熱幾攝氏度后，在涂層較深區(qū)域和基材中發(fā)生熱傳導(dǎo)和冷卻，儀器檢測(cè)到的熱輻射，再進(jìn)行轉(zhuǎn)換和數(shù)字化，從而實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。該測(cè)量技術(shù)需要涂層與基材有導(dǎo)熱率差異，并且需要通過已知厚度的樣品進(jìn)行標(biāo)定。該檢測(cè)技術(shù)可直接無損檢測(cè)過程中實(shí)現(xiàn)無間斷檢測(cè)，不同型號(hào)精度高達(dá)0.5～2μm。

該方法的測(cè)量可實(shí)時(shí)測(cè)量涂層厚度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)涂裝后涂層是否符合工藝要求，一方面，根據(jù)測(cè)量結(jié)果可立即調(diào)整參數(shù)，補(bǔ)償工藝偏差，進(jìn)而提高工作效率。另一方面，該檢測(cè)技術(shù)可減少不合格部件發(fā)生率，避免廢料及返工，進(jìn)而節(jié)約材料，減少生產(chǎn)中涂料不必要的浪費(fèi)。

3 光熱法非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)及活塞石墨層脫落檢測(cè)

活塞上的石墨層是一種以油漆及石墨為主要成分的干膜潤滑劑，主要作用是在直接接觸或有微動(dòng)磨損的機(jī)件之間起到潤滑、減磨的作用。對(duì)于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸而言，工作環(huán)境本身就存在工作油液，且活塞是行程運(yùn)動(dòng)，故石墨層也只是在磨合初期發(fā)揮潤滑作用，活塞面額上的石墨層會(huì)隨著活塞與氣缸壁的摩擦逐漸脫落失效或被工作積碳遮蔽而失效，即石墨層脫落屬必然結(jié)果。但過厚的石墨層在磨合初期會(huì)呈片狀大量脫落屬非正?，F(xiàn)象，脫落的片狀石墨可能進(jìn)入滑油濾內(nèi)，形成多余物，會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的修理質(zhì)量。其主要原因?yàn)楣ぷ髦幸蛲繉舆^厚導(dǎo)致活塞工作面與氣缸內(nèi)壁的間隙減小，石墨層受擠壓刮擦形成脫層。因此，為避免此類問題發(fā)生，活塞石墨層厚度應(yīng)在干燥后進(jìn)行6 點(diǎn)測(cè)量、記錄和傳遞的要求，噴涂過程中，應(yīng)明確不得對(duì)活塞表面進(jìn)行二次噴涂，并補(bǔ)充石墨層噴涂厚度超差時(shí)的處理措施。其次，厚度測(cè)量方式應(yīng)由原接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)更改為非接觸式涂層檢測(cè)技術(shù)，由磁性法測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)楣鉄岱ǚ墙佑|式測(cè)量，因活塞表面為曲面，使用磁性測(cè)厚儀測(cè)量易導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確度低，對(duì)完工產(chǎn)品厚度控制難度大，而光熱法非接觸式測(cè)厚技術(shù)為聚焦測(cè)量，不與產(chǎn)品待測(cè)面直接接觸，且可同時(shí)測(cè)量曲面產(chǎn)品，并不影響測(cè)量結(jié)果?？捎行Э刂苹钊砻娴氖珜雍穸?，也可及時(shí)對(duì)厚度不符合要求的產(chǎn)品進(jìn)行識(shí)別并返工，避免產(chǎn)品裝機(jī)后導(dǎo)致故障并返工。

4 檢測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)某石墨層脫落活塞，使用原接觸式涂層測(cè)厚儀及非接觸式涂層測(cè)厚儀進(jìn)行涂層厚度測(cè)量，活塞表面石墨層厚度工藝要求范圍應(yīng)為50 ～100μm，接觸式涂層測(cè)厚儀測(cè)量涂層厚度梳理情況見表1。

表1 工藝改進(jìn)前活塞石墨層厚度測(cè)量表（接觸式磁性測(cè)厚儀）

非接觸式涂層測(cè)厚儀測(cè)量涂層厚度梳理情況見表2。

表2 工藝改進(jìn)后活塞石墨層厚度測(cè)量表（非接觸式磁性測(cè)厚儀）

表1 與表2 測(cè)量值比對(duì)分析得出：同一產(chǎn)品，當(dāng)待測(cè)面呈曲面時(shí)，因產(chǎn)品曲率對(duì)測(cè)量有較大影響，使用接觸式磁性測(cè)厚儀測(cè)量后，測(cè)量值浮動(dòng)較大，且絲毫無規(guī)律，若以6 次測(cè)量值取平均值作為該點(diǎn)位厚度值，準(zhǔn)確率極低，易造成不合格產(chǎn)品流轉(zhuǎn)至下工序，導(dǎo)致活塞裝機(jī)后試車后因表面涂層厚度超過最大范圍值而發(fā)生脫落，產(chǎn)品須進(jìn)行二次返工并增加修理成本。當(dāng)使用非接觸時(shí)涂層測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，6 次測(cè)量值相差較小，波動(dòng)幅度較小。因此，使用磁性測(cè)厚儀測(cè)量曲面涂層厚度并不準(zhǔn)確，不可作為產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)。而光熱法非接觸式涂層測(cè)厚技術(shù)的應(yīng)用，測(cè)量效率更高，且待測(cè)面為曲面也并不影響石墨層厚度測(cè)量的準(zhǔn)確度，測(cè)量數(shù)據(jù)中每組數(shù)值相差較小，波動(dòng)幅度小，由此可推斷，使用該方法進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確率更高。

由表2 數(shù)值推算，該活塞表面石墨層厚度超過工藝要求的50 ～100μm，該產(chǎn)品為不合格產(chǎn)品，不準(zhǔn)流入下工序，須對(duì)產(chǎn)品表面涂層進(jìn)行去除后重新噴涂。

5 結(jié)語

對(duì)于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸而言，工作環(huán)境本身就存在工作油液，且活塞是行程運(yùn)動(dòng)，故石墨層也只是在磨合初期發(fā)揮潤滑作用，活塞面額上的石墨層會(huì)隨著活塞與缸壁的摩擦逐漸脫落失效或被工作積碳遮蔽而失效，即石墨層脫落是必然結(jié)果。但石墨層在磨合初期呈片狀大量脫落均屬非正?，F(xiàn)象，脫落的石墨層易形成多余物。故有效地控制活塞表面石墨層噴涂質(zhì)量十分重要，石墨層厚度測(cè)量作為產(chǎn)品檢驗(yàn)合格要求之一，選用正確的檢測(cè)手段也顯得愈加重要。

涂層厚度控制是航空發(fā)動(dòng)機(jī)修理過程中涂層修復(fù)重要的工藝參數(shù)，在產(chǎn)品質(zhì)量、過程控制和成本控制中都發(fā)揮著重要作用。目前，國內(nèi)外對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零組件表面涂層修復(fù)后的厚度測(cè)量研究仍在不斷深入，但大多仍停留在使用傳統(tǒng)的點(diǎn)觸式涂層測(cè)厚技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，而針對(duì)非接觸式熱光學(xué)檢測(cè)技術(shù)僅限于理論分析與應(yīng)用初期，缺乏具有實(shí)際應(yīng)用方面的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，需要進(jìn)一步研究并得以應(yīng)用。