火焰噴涂鎳石墨涂層工藝研究

侯慶英 郭利雄 王忠明

(中航工業哈爾濱東安發動機集團有限公司，黑龍江哈爾濱 150066)

發動機氣路封嚴是影響其效率和性能的重要因素，為此，在設計上常采用可磨耗涂層來達到氣路封嚴的目的。可磨耗涂層要求涂層質軟而易磨，與基體有良好的結合性能，并具有良好的抗沖擊、抗熱震性能。鎳石墨涂層由于其硬度低，結合力強，孔隙率相對穩定，具有一定的抗沖擊能力等特點，能滿足封嚴涂層的使用要求。

航空發動機的熱噴涂層主要包括耐磨涂層、熱障涂層、封嚴涂層和高溫防護涂層等。航空燃氣渦輪發動機都有比較完整的氣路封嚴系統。系統由介于軸、鼓筒、轉動葉片葉尖、壓氣機和渦輪等各級之間的封嚴裝置組成，封嚴裝置的好壞直接影響發動機的功率、推力和效率。如渦輪外環(即葉尖徑向間隙)的封嚴，按設計要求，葉尖間隙與葉片長度的比值每增加1%，渦輪效率損失就增加1% ～3%，可見，氣路封嚴是提高效率和性能的重要途徑之一。為此，在設計上常采用可磨耗涂層來達到氣路封嚴的目的。熱噴涂封嚴涂層分為兩大類，即主動磨削涂層和可磨耗涂層。可磨耗涂層要求涂層軟而易磨，與基體有良好的結合性能，并具有良好的抗沖擊、抗熱震性能。

鎳石墨涂層屬于低溫可磨耗封嚴涂層，通常硬度為35～45 HR15Y，結合力良好，主要應用在發動機的冷端，工作溫度在450℃以下。由于鎳石墨粉末熔點較低，采用相對低成本的火焰噴涂技術，制備有一定孔隙率及氧化物含量的涂層，可滿足技術指標要求。

1 火焰噴涂的原理及特點

火焰噴涂是一項采用氧氣-燃料燃燒能為熱源的噴涂技術，按噴涂材料可分為線材式和粉末式兩種，粉末式火焰噴涂原理如圖1所示。

在氣體流動的情況下，使用打火器點燃噴槍噴嘴，粉末通過送料器由送粉氣體攜帶進入火焰噴槍噴嘴部位，粉末由于在噴嘴處遇到燃燒氣流而被加熱和加速，同時噴附在基體表面上。粉末噴涂一般采用乙炔為燃料，按如下的反應進行：

在完全燃燒時，如乙炔量為1，氧氣的量就是5/2。但氧氣和乙炔的混合氣體的比例如果是1∶1，則需從周圍空氣中補給氧氣，方能得到中心焰。而且在噴嘴出口處將發生上述的式(1)、(2)反應，此部分由還原性氣體介質組成。然后在外焰部分，則由空氣中的氧氣進行式(3)、(4)反應，經過完全燃燒，在火焰中飛行的粉末材料不斷受到加熱。但由于氣體的急速流動，火焰中會混入大量空氣，因此火焰的大部分將變成氧化性氣體，容易造成粉末材料脫碳［1］。

噴涂鎳石墨之前的打底涂層一般選用Ni-Al粉末。由于其屬于自粘結復合粉末，即在噴涂工藝過程中，能夠發生化學反應，生成金屬間化學物，并且釋放大量熱量，將基體表面加熱到接近熔融狀態，促進熔融顆粒與基體表面形成冶金結合的復合粉末材料，使用Ni-Al能提高涂層與基體之間的結合力，因此在噴涂鎳石墨之前選用等離子噴涂設備在試片上噴涂鎳包鋁涂層，之后使用火焰噴涂設備噴涂鎳石墨涂層至規定厚度。

2 實驗部分

2.1 實驗設備

火焰噴涂系統、等離子噴涂系統、ABB六軸機械手、吹砂機。

2.2 試樣準備

噴涂試件材料為1Cr17Ni2，規格為50 mm×30 mm×4 mm，表面平行度0.08 mm。

2.3 硬度測試方法

采用全洛式硬度計，80 HR15Y標準試塊，試驗加載時間為5 s，在試片上取10點進行硬度測試，計算其算術平均值，即為涂層硬度。

2.4 火焰噴涂的工藝流程及其作用

火焰噴涂鎳石墨工藝流程：有機溶劑除油→低壓吹砂→等離子噴涂底層→火焰噴涂鎳石墨。

有機溶劑除油：選用丙酮對試片進行除油，待試片晾干或用經油水分離處理過的壓縮空氣吹干。

吹砂：用吹砂機對試片進行低壓吹棕剛玉砂，吹砂后不允許赤手接觸試件。為確保涂層與基體的結合力，防止灰塵、雜質等二次污染待噴涂界面，應嚴格控制吹砂至噴涂的時間間隔，通常控制在2 h以內。

等離子噴涂：用等離子噴涂設備在試片上噴涂鎳包鋁粉末，該涂層是自粘結性涂層，作為中間過渡涂層可以提高鎳石墨層的涂層結合強度。通常底層厚度控制在0.10～0.15 mm。

噴涂鎳石墨：用火焰噴涂設備在鎳包鋁涂層上噴涂鎳石墨涂層。表1為噴涂鎳石墨的相關實驗數據。

表1 工藝實驗參數表

2.5 主要工藝參數對涂層性能的影響

2.5.1 氧氣和空氣對涂層硬度的影響

由前文的論述得知，在完全燃燒時氧氣量和乙炔量的比為2.5∶1，若在混合氣體中氧氣的量過大，則在火焰部分會形成氧化性氣氛。同時，由于氣體高速流動形成的湍流會將周圍空氣中的大量空氣帶入火焰中，會再次增多火焰中的氧化性氣體，造成鎳石墨材料的大量脫碳，最終導致涂層中的C含量降低，使涂層的硬度上升。通過對比序號1和2可以看出，在空氣壓力由0.14 MPa增加至0.52 MPa的情況下，涂層硬度由44.2 HR15Y降至39.8 HR15Y。

2.5.2 噴涂距離與涂層硬度的關系

噴涂距離越近，涂層硬度越高：由實驗數據2和數據3可以看出，在所有參數不變的情況下，噴涂距離為220 mm時對應涂層的硬度值為39.8 HR15Y，噴涂距離為180 mm時對應涂層的硬度值為58.4 HR15Y。圖2是METCO-P型噴槍的粉末速度與噴嘴距離的關系［1］。

粉末式噴涂由于粉末在噴嘴處獲得加速，因此噴嘴處的粉末運動速度最高，離噴嘴越遠，粉末的運動速度呈下降趨勢，粉末速度與噴嘴距離的關系可參照圖2。由于粉末速度的下降，導致粉末摔打到試片上的動能減小，同時由于距離越遠，粉末與氧氣反應更為徹底，脫碳量越大。因此對比180 mm噴涂距離和220 mm距離條件下的涂層硬度，噴涂距離180 mm產生的涂層硬度值偏大。

2.5.3 送粉量與涂層硬度的關系

由實驗序號10、11、12的數據可以看出，在其它參數不變的情況下，隨著送粉量的增大，涂層硬度顯著降低。序號10中送粉量為45 g/min，涂層硬度值為50.5 HR15Y；序號11中送粉量為49 g/min，涂層硬度值為48.3 HR15Y；序號12中送粉量為53 g/min，涂層硬度值為37.5 HR15Y。

由于在上述三組數據中其它參數不變，即噴槍的總功率沒有變化，也就是說通過燃燒氣體生成的熱量是一定的。通過增加送粉量，單個粉末在噴涂過程中接受的熱量有所下降，即粉末的脫碳狀況有所降低，涂層中的C含量升高，因此涂層的硬度值呈下降趨勢。

2.5.4 噴嘴型號與涂層硬度的關系

在噴涂過程中，燃燒氣體產生大量的熱量，所以必須對噴槍部位進行冷卻。火焰噴槍的冷卻主要是通過噴槍兩側的冷卻單元對噴嘴吹壓縮空氣來實現的，另外冷卻噴嘴的同時也可實現冷卻試件的作用。

實驗數據中的序號8和序號12在其它參數不做變化，更換噴嘴型號進行噴涂，發現使用6P-4噴嘴的硬度值為42.6 HR15Y，而使用6P-3噴嘴的硬度值為37.5 HR15Y，經分析這是由于噴嘴的結構所導致。對比兩種型號的噴嘴，發現6P-3噴嘴的出氣孔角度在安裝時相對6P-4更傾向于噴槍的軸向。因此在噴涂過程中通過噴嘴的壓縮空氣會有較大量混入火焰中，粉末在飛行過程中遇到的氧氣量也較多，因此涂層硬度相對降低，由42.6 HR15Y降至37.5 HR15Y。

3 結語

(1)經過分析噴涂后試樣表面鎳石墨涂層，確定了火焰噴涂鎳石墨涂層的各種影響因素。

(2)通過實驗，摸索并找到了涂層硬度的影響因素及趨勢。

［1］蓮井淳，等.噴鍍技術.北京：國防工業出版社，1978.