某發動機中央傳動機匣表面冷噴涂修復

陳朝剛

（沈陽黎明航空發動機有限責任公司，遼寧 沈陽110043）

某型航空發動機中央傳動機匣出現鋁青銅涂層脫落問題，為完成機匣涂層的修復可以使用冷噴涂技術對其進行處理，用以恢復發動機機匣鋁青銅涂層所具有的抗磨、耐熱性能。相較于熱火焰噴涂技術冷噴涂技術能夠更好的適應鋁、銅類及其合金涂層的修復。本文在分析冷噴涂技術特性的基礎上對其在某型航空發動機涂層修復中的應用進行了分析介紹。

1 冷噴涂技術特點

冷噴涂技術是上世紀末由俄羅斯所發明的一種新型技術，其利用預加熱后的高速氣體作為載體推動涂覆材料(粉末顆粒形式)向涂覆層高速運動，在使得涂覆材料加速到音速的基礎上與涂覆層進行撞擊，從而使得粉末顆粒在高速作用下以塑性變形的形式在涂覆層形成涂覆材料的沉積。相較于傳統的熱噴涂技術，冷噴涂技術由于受熱少，對基體的熱影響較小，噴涂過程中粉末顆粒具有較好的穩定性，產生氧化及相變的可能性較低。冷噴涂技術作為一種良好的噴涂技術，能夠在待修復土層表面重新構建新的涂覆層，從而完成涂層的修復。本文選用冷噴涂技術作為中央機匣鎂合金涂層修復技術的主要原因在于：a.使用冷噴涂技術進行修復后的鋁青銅部分與母材具有良好的相容性。b.相較于其他技術使用冷噴涂技術能夠在鎂合金表面形成良好的噴涂沉積層，且噴涂沉積層的沉積效率較高。c.使用冷噴涂技術噴涂后的鋁青銅合金涂層具有良好的涂層組織結構，涂層致密不易脫落。d.冷噴涂技術操作簡便，僅使用壓縮空氣作為氣源即可完成噴涂修復作業，能夠在現場即可完成涂層的修復作業。修復作業具有較強的可操作性。

2 鋁青銅冷噴涂修復工藝

某型號航空發動機鋁青銅冷噴涂修復工藝分為以下三個環節：a.去除原有噴涂涂層。b.鋁青銅冷噴涂修復。c.鋁青銅冷噴涂涂層的加工。第一步需要先將發動機機匣表面的噴涂涂層去除，首先先將航空發動機機匣安裝在車床上，對機匣內圓表面進行打表測定，通過緩緩轉動機匣待到機匣測定的圓跳動在0.02mm以內時為止，而后使用車床固定車刀沿著發動機機匣緩緩進刀，去除發動機機匣表面的殘余涂層。在完成了對于機匣內表面殘余涂層的切削后，再沿著機匣檢查機匣表表面的徑向跳動，只有當徑向跳動在0.03mm 以內時才算完成了機匣內表面殘余涂層的清理。在完成了對于機匣內表面的清理后，需要對機匣進行重新噴涂涂層，在噴涂處理前使用丙酮對其進行大清洗，避免因雜物而影響噴涂效果。對不需要噴涂的區域使用吹砂膠帶進行防護，在噴涂作業時，將機匣安裝在噴涂旋轉夾具上，首先使用純鋁粉在機匣表面噴涂一層鋁涂層作為中間層，鋁涂層的噴涂厚度控制在0.15mm-0.2mm 之間即可，在完成了鋁涂層的噴涂作業后重新在噴槍中加入鋁青銅粉末，在鋁涂層的基礎上噴涂0.9mm±0.1mm 的鋁青銅涂層，從而完成機匣表面的冷噴涂加工。在完成了噴涂作業后需要將噴涂涂層加工至機匣所規定的尺寸，在完成了機匣的裝夾、定位后對機匣進行找正，將機匣涂層車削至規定尺寸即可。

3 使用冷噴涂技術進行鋁青銅涂層的噴涂修復

某型號發動機中央機匣采用的是ZM5 鎂合金基體，在使用冷噴涂技術進行噴涂修復實驗時，首先對鎂合金機匣表面使用丙酮進行清理，丙酮具有良好的吸附性和相溶性，能夠對表面油污進行良好的清潔。待到表面清潔完成后，使用青銅與鋁混合粉末顆粒作為修復材料進行冷噴涂作業，青銅與鋁粉末顆粒具有極高的純度（99.9%以上）。在開始某發動機機匣的鋁青銅涂層修復實驗時，首先在待修復涂層表面噴涂鋁涂層，使用鋁涂層作為鋁青銅涂層的中間粘結層，用以增強鋁青銅涂層的粘附力。待到鋁涂層噴涂均勻后再在其上噴涂鋁青銅涂層完成機匣表面涂層的修復。完成機匣表面鋁青銅涂層的噴涂后，使用掃描電鏡對噴涂涂層的噴涂效果進行檢驗觀測，噴涂后的使用電鏡掃描后的鋁青銅涂層微觀截面圖如下圖1 左所示。由圖中可以清晰的看出作為中間層的鋁離子與原涂層形成了極為良好的結合形態，鋁粒子體積較大,在強力的沖擊下產生的變形較為完整,其與底層涂層的機械咬合現象較為良好,中間的鋁涂層與原涂層形成了較為緊密的結合, 在電鏡掃描圖上幾乎發現不到細微的孔隙,且電鏡掃描圖上所顯示的微裂紋也很少、很細微，總體來說其與航空發動機原ZM5 基體形成了良好的結合。航空發動機冷噴涂后的電鏡掃描圖如下圖1 右所示。圖1 右為使用鋁青銅材質冷噴涂后的電鏡掃描圖。從圖中可以看出，冷噴噴涂后鋁青銅涂層在中間的鋁涂層上形成了均勻、細密的涂層結構，相對于中間的鋁涂層，鋁青銅涂層在電鏡掃描圖中可以看到明顯的熔融痕跡，這一現象意味著冷噴涂后的鋁青銅涂層不僅存在著機械咬合現象，同時還存在著鋁、青銅粒子之間的冶金結合。由多組鋁青銅涂層電鏡掃描圖可以看出冷噴涂后的鋁涂層和鋁青銅涂層的孔隙率都在1%以內，而采用一般噴涂作業所使用的火焰噴涂方式其孔隙率多在15%±5%左右，電弧噴涂工藝的孔隙率相對火焰噴涂低一些也多在10%以內。相對于火焰噴涂、等離子噴涂和電弧噴涂工藝，冷噴涂工藝有效的減少了噴涂涂層的孔隙率。在對發動機進行冷噴涂作業中，不論是鋁涂層還是鋁青銅涂層由于是鋁、銅粒子高速沖擊所形成的，其涂層內部都承受著一定的壓應力，從而使得制備厚涂層成為可能。發動機中央機匣處的鋁青銅涂層主要承擔著減磨、抗磨的作用，主要用于保護中央機匣，因此對于鋁青銅涂層的致密性有著極高的要求，鋁青銅涂層與基體形成良好的結合將有助于鋁青銅涂層不產生掉落，從而在機匣表面形成良好的保護層。從冷噴涂后的涂層電鏡掃描圖中可以看出，冷噴涂鋁涂層在基體吹砂表面凹凸處于基體形成了良好的機械咬合現象，而鋁青銅涂層則與中間的鋁噴涂涂層之間形成了一道極為明顯的分隔界面，中間無過渡層，且在電鏡掃描圖中幾乎無法找到孔隙與缺陷，這意味著鋁青銅涂層通過中間的鋁涂層與基體的ZM5 鎂合金之間形成了非常良好的結合面。此外，除了發現極少量的孔隙和微裂紋外，在電鏡掃描圖中幾乎看不到脫離層，這意味著使用冷噴涂后所形成的涂層在其內部形成了極強的聚合力，這意味著在鋁青銅冷噴涂涂層在發動機涂層修復中能夠發揮出良好的效果。

圖1 鋁涂層和鋁青銅涂層噴涂電鏡掃描圖

結束語

航空發動機修復能夠有效的提高航空發動機的使用壽命，降低航空發動機的使用成本。本文在介紹冷噴涂工藝的基礎上對其在某型航空發動機機匣鋁青銅修復的工藝進行了分析介紹，并通過掃描電鏡對噴涂后的涂層進行了分析，從而確定了在某型發動機機匣處使用冷噴涂修復工藝能夠取得了良好的修復效果。