絲材火焰噴涂鎳鋁底層工藝研究

張彥飛

摘 要：渦軸16發動機上有5種零件需要采用絲材火焰技術制備鋁硅可磨耗封嚴涂層，采用的粘接底層為鎳鋁涂層。文章研究了絲材火焰噴涂過程中送絲速度對鎳鋁粘接底層性能的影響，通過優化工藝參數制備的鎳鋁粘接底層性能滿足指標要求，最終通過特種工藝鑒定并應用于渦軸16發動機。

關鍵詞：鎳鋁粘接底層；絲材火焰噴涂；渦軸16發動機

引言

在實際工業生產中，經常使用中間粘結底層作為過渡層，提高表面封嚴涂層與基體之間結合強度的同時，還可以緩解兩者之間熱物理性能的差別。在絲材火焰噴涂制備鋁硅可磨耗封嚴涂層之前，在基體表面先制備一層鎳鋁粘結底層。所用的絲材斷面形貌如圖1所示，Ni-Al 20%復合絲材是典型的包覆型復合絲材，利用線/管復合法將鎳鋁芯線放入鋁管中，拉拔成一定直徑的噴涂復合絲材。Ni-A120%復合絲材是自粘接材料，在熱噴涂過程中Ni與A1發生化學反應生成金屬間化合物，并釋放出大量熱，這一反應過程甚至能持續到粒子碰撞到基體表面時。該效應十分有利于變形粒子與基體表面形成微區冶金結合，從而提高粘結底層與基體之間的結合強度。

圖1 Ni-Al 20%復合絲材斷面形貌

1 結果與討論

16E絲材火焰噴涂設備的送絲速度控制系統在噴槍上，由壓縮空氣驅動渦輪旋轉，渦輪帶動齒輪旋轉從而將絲材擠壓出并送入火焰。送絲速度的快慢可通過手動旋轉渦輪來調節，渦輪最多能順時針旋轉5.75圈。在0～5.75圈的范圍內并不是渦輪處在任何位置都能送出絲，對于不同韌性的絲材都對應一個最低渦輪旋轉圈數，如Ni-Al20%絲材較軟，送絲的最低圈數為1.5圈，而Al-Si6%絲材相對較硬，對應的最低圈數為5/3圈。由于不同絲材的柔韌程度不同，相同的渦輪旋轉圈數對應的送絲速度也不同，因此在摸索其他噴涂工藝參數前需先測量每種絲材的送絲速度。首先將驅動渦輪的壓縮空氣的壓力和流量調節至目標值。之后將渦輪旋轉圈數調至某一圈數，打開送絲開關，測量一個時間段內送出絲的長度，再計算即可得出某種絲的送絲速度。經測量計算，Ni-Al20%絲材在2圈時的送絲速率為1575mm/min。

調節不同的送絲速度制備涂層樣品，噴涂試片后線切割取樣，鑲嵌制備金相樣品，之后打磨、拋光，測試涂層的顯微硬度，觀察涂層的微觀組織結構，測試涂層的孔隙率和未熔顆粒大小。研究送絲速度和涂層組織、性能之間的關系。

確定送絲速度前應觀察焰流中的絲材熔化效果來調節送絲速率，讓絲材熔化在噴槍口，而不是噴槍外，但是也不能太靠里。先固定氣體壓力、氣體流量和噴涂距離，研究送絲速度對Ni-Al涂層組織及性能的影響，試驗結果見表1，涂層外觀照片見圖2。

由圖2可以看出，Ni-Al20%復合絲材對噴涂工藝參數變化的適應性較寬。渦輪1.5～2圈的范圍內，涂層質量較好。送絲速度再提高時涂層表面會有很多未熔顆粒產生，見圖2c-d。但是圈數為1.5時送絲過慢，容易堵槍熄火，不能采用該參數。圈數為2時涂層質量最佳，見圖2b。圈數再增加時表面的未熔顆粒會增多，表明熔化效果不好。如表1所示，涂層的沉積效率隨送絲速度的提高而提高，當渦輪圈數為4時對應的沉積效率為103μm/遍，但是送絲速度過快會導致未熔顆粒的增多，如圖2d所示。

因Ni-Al20%復合絲材噴涂時對噴涂工藝參數變化的適應性較寬，涂層的硬度與送絲速度之間不存在線性關系。如表1所示，在渦輪圈數為1.5～4的范圍內，涂層的維氏硬度都能夠滿足技術指標要求（Hv0.3≥120）。與粉末材料相比，絲材的比表面積小得多。因此在大氣或氧化性環境中噴涂金屬或合金時，絲材端部被熔化后再被霧化成熔滴噴涂形成涂層，復合絲材噴涂涂層的氧化程度或氧化物含量要比粉末噴涂涂層低得多。噴涂Ni-Al20%絲材時最佳送絲速率應該確定為渦輪圈數2圈。

用抗拉結合強度來測試涂層與基體的結合強度。在試樣的涂層面涂上一層很薄的粘合劑，令兩試樣軸線重合，用專用夾具加力使之對接充分粘合，然后將粘合的試棒放在烘箱內使粘合劑固化，之后將試棒裝夾在電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗。Ni-Al試棒拉伸后，膠粘層破斷，只有少量涂層被拽掉，此時測量的結合強度平均值為43.6MPa，大于指標中要求的35MPa，測量結果合格。如果不噴涂Ni-Al粘接底層而直接噴涂Al-Si面層進行拉伸試驗，面層全部被拉伸副拽掉，脫落位置發生在Al-Si面層和基體之間，此時測試的是Al-Si面層與基體之間的結合強度，測量平均值為5.3MPa，說明如果不使用粘接層而直接噴涂面層，面層與基體之間的附著力非常差，因此非常有必要使用Ni-Al粘接底層。

零件圖紙還規定根據需要采用杯突試驗的方法對涂層的結合強度進行檢測。首先加工尺寸為75×45×1.1mm的試片。之后在試片表面吹砂后噴涂制備涂層，涂層厚度0.10～0.15mm。將噴涂后的試片放在直徑為35mm的陰模上，涂層面朝下。在沒有涂層的試件背面壓上一個直徑為22mm的鋼球，以10mm/min的速度壓下，直到下壓深度為7.5mm。進行試驗后，被鋼球壓入后隆起的涂層無開裂和剝落，則試驗合格。圖3給出了對鋼片上制備的Ni-Al粘接底層進行杯突試驗后的涂層外觀。可以發現盡管下壓深度為7.5mm，試驗后被鋼球壓入后隆起的涂層基本無開裂和剝落，即Ni-Al粘接底層的杯突試驗合格。

2 結束語

經過幾十次的噴涂工藝試驗，確定了絲材火焰噴涂制備鎳鋁粘接底層的噴涂工藝參數，制備出的涂層硬度和結合強度等性能滿足技術指標要求，投入正式生產。絲材火焰噴涂制備鎳鋁粘接底層不僅能在新機種的制造中得到應用，還可以在航空發動機零部件的修理中發揮重要作用。