熱噴涂工藝技術在航空制造領域的應用

周楊

摘? 要：熱噴涂工藝是材料表面強化與安全防護的重要技術手段之一，通過熱噴涂工藝可為飛機各零部件制備耐腐蝕、絕緣、隔熱、抗氧化、防輻射等不同功能的涂層。本文結合工作實際，就航空制造領域中熱噴涂工藝的技術原理、工藝流程、質量要求等方面的工藝內容進行了探討與研究。

關鍵詞：熱噴涂工藝;航空制造;應用

前言：

飛機運行過程中，其各零部件的工作條件非常復雜、嚴酷，需要承受高溫、高壓等各種外界不良環境所帶來的影響。為保障飛機運行的安全，必然對其材料和制造工藝都有著很高的標準與要求。目前，我國航空制造領域中的工藝種類繁多，如表面處理、熱處理、焊接、鍛造、膠接等，都屬于航空特種制造工藝的范疇。熱噴涂技術屬于表面處理工藝的一類，可在飛機零部件表面形成具有一定結合強度的涂層，從而達到強化材料表面與安全防護的重要作用，因此在我國航空、航天等高新技術領域中有著廣泛的使用。

一、熱噴涂的技術原理及主要類型

（一）技術原理

熱噴涂工藝的技術原理，主要是指通過放電、激光、火焰等各類熱源，將涂層材料加熱到軟化或熔融狀態，再借助外力將其噴涂到零部件表面，通過快速冷卻凝固在表面，所形成的扁平化且具有一定特殊功能的復合涂層工藝技術。

（二）主要類型

在航空制造領域，常用的熱噴涂工藝就多達十余種，為制備各種特殊功能的涂層提供了豐富手段。借鑒國際標準ISO14917中的分類，根據噴涂材料形態的不同可分為：粉末熱噴涂、棒材熱噴涂、線材熱噴涂等;根據制備方式的不同可分為：全自動噴涂、機械化噴涂、手工化噴涂等;而根據熱源的不同可細分為：氣體燃燒噴涂、氣體放電噴涂、電熱噴涂、爆炸噴涂、激光噴涂等多種類型。

目前，在航空制造領域中較常采用的熱噴涂工藝包括了：氧乙炔火焰噴涂、超聲速火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等。例如，等離子噴涂工藝利用WC-Co/Cr、CoMoCrSi等噴涂材料，可在飛機發動機軸、軸承座上形成耐磨蝕涂層;爆炸噴涂工藝利用X-40、WC-Co等噴涂材料，可在噴氣發動機渦輪軸、渦輪葉片葉冠等部位，形成耐磨蝕、封嚴、絕緣等功能的涂層。

二、航空制造領域中熱噴涂的工藝流程

熱噴涂的工藝流程主要包括了預處理、噴涂施工、后處理等工序。根據噴涂方法、工件基體材料、涂層材料以及使用性能和服役條件的不同。本文以航空制造領域中較常采用的等離子噴涂技術為具體實例，詳細探討了該技術的工藝流程：

（一）預處理

1.表面加工清理

表面加工清理是等離子噴涂前，表面制備的第一步。其目的是清除表面油污、氧化皮、漆層等污物。對于無縫隙的飛機零部件，可采用有機溶劑除油或吹砂處理。表面存在的漆層，可先用脫漆劑把油漆除掉再進行清理。對于多孔的鑄件或有狹鏠的零件，也可采用加熱除油的方法先將零件加熱到300-500℃，然后再清除滲出的油污，有吋需重復幾次才能除凈。如果零件因加熱發生氧化，可用吹砂法清除氧化皮。

2.非噴涂表面的保護

保護零件非噴涂部位的方法因零件的形狀和被保護部位而異。目前，在等離子噴涂技術中，膠帶保護法被廣泛采用，它適用于形狀復雜、制作夾具比較困難的飛機零部件。在非噴涂表面上涂保護涂料也是一種有效的保護方法。此外，也可根據飛機零部件形狀，特意制作專用夾具進行保護。

3.表面粗化

在加工清理合格的表面上，還應作進一步的粗化處理，以增大飛機零部件與涂層的接觸表面積，提高涂層粘結強度。常用的粗化方法主要包括了：吹砂、拉毛、開槽、車螺紋、滾花等。目前，吹砂是最普遍而經濟的粗化方法。粗化和清理所用的吹砂設備最好分開，或采用更換砂子的方法，目的是防止粗化用砂的污染。各種不同類型的材料選用壓縮空氣的壓力可為0.20-0.55MPa，選用18-24目或60-80目的氧化鋁砂子進行噴砂，可以獲得滿意的表面粗化效果。

（二）熱噴涂施工

1.噴涂參數的選擇

選擇適宜的等離子工作氣體，形成等離子電弧的氣體多采用氬氣、氮氣等惰性氣體，在航空制造領域中通常采用含有5%-25%氫氣的氮氣作為等離子氣體，其傳遞給噴射粒子的能量最多，且費用偏低，如某些飛機零部件材料與氮氣會產生有害反應時，也可采用含5%-25%的氬氣作為等離子氣體，該類氣體雖然熱能傳遞偏低，但性能穩定，其形成的涂層結構非常致密。

2.預熱和冷卻

通過預熱，可有效去除零部件基體表面的濕氣，減少涂層和基體的相對膨脹量，從而達到改善粘結性能的目的。通常的預熱溫度為70-150℃，小型零部件可采用等離子噴槍火焰預熱。大型零件可在爐子中預熱，但要防止零件被氧化和變形。在噴涂過程中要適當冷卻零件，以控制零件溫度，防止過熱，減少涂層熱應力。冷卻的技術要求為：壓縮空氣或其它冷卻氣源吹風冷卻零件，冷卻氣流必須與噴射點保持一定距離，以不妨礙涂層沉積為原則，冷卻氣流必須清潔，無油無水，對于易于氧化的涂層，可采用惰性氣體冷卻。可采用間歇噴涂的方式，一般噴涂10-20秒，停噴2-5分鐘使零件冷卻，如此反復，直到噴至所需的涂層厚度，同時注意控制適當的噴槍移動速度及零件轉速。

3.噴涂距離控制

當噴槍和零部件的距離增大時，火焰溫度會急劇下降，噴射粒子速度降低。當噴涂距離太近時，零部件溫度又難以控制，且易于造成涂層和基體過熱。兩種情況都會造成涂層質量降低，沉積率下降。合適的噴涂距離適宜控制在70-150毫米之間。

4.噴槍移動速度控制

噴槍對于零部件的相對移動速度，如果選擇不當，容易導致零部件局部過熱、涂層氧化等缺陷問題。因此，建議噴槍移動速度為30-100米/分鐘。噴槍的橫向移動速度應保證噴涂層平整，每一道涂層的厚度應小于0.05mm，后一道涂層應與上一道涂層搭疊三分之一左右。同時，要求應盡可能垂直噴涂，但某些飛機零部件，因幾何形狀限制，噴涂角度允許到45°。

三、航空制造領域中熱噴涂的質量要求

（1）涂層的質量評定

在航空制造領域中，對于選用的新涂層，應根據使用需要進行各種試驗，如：金相試驗、涂層拉伸結合強度試驗、剪切結合強度試驗、磨損試驗、劃痕試驗、彎曲試驗、孔隙度試驗、耐介質試驗、液體滲透試驗等。但當涂層及工藝經選定后，只需進行簡單的常規試驗即可。對于正常噴涂層質量的檢驗，涂層厚度可用千分尺或專用量具進行測量。涂層外觀可用肉眼或五倍放大鏡觀察有無裂紋、脫落、未熔化的大顆粒，對可磨耗涂層還應進行硬度檢査。

（2）涂層缺陷的排除

對于檢驗不合格的涂層，必須退除千凈，然后重新預制表面，重新噴涂。目前，退除涂層的方法主要有機械法、化學或電化學法，其中機械法最為常用。

結論：

近年來，我國航空制造技術發展迅速，尤其以熱噴涂工藝為代表的特種加工制造技術得到了跨越式的發展。熱噴涂工藝可根據飛機運行中各零部件的實際需求和耐受性需求，制作出耐磨蝕、安全防護、封嚴、絕緣等各種具有特殊功能的涂層。本文就航空制造領域中熱噴涂工藝的技術原理、工藝流程、質量要求等方面的工藝內容進行了探討與研究，以此期望能進一步推動該工藝技術在航空制造領域中的標準化、規范化發展。

參考文獻

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