超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層適海性工藝研究

丁 偉，曹圣兵

（1.海軍裝備部，陜西西安 710000；2.慶安集團有限公司，陜西西安 710077）

前言

超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層作為硬鉻鍍層替代工藝，在國內外各類尤其是航空、水利領域得到了廣泛應用，用于各類活塞桿零件表面防護，效果優異。某電液舵機、側風門作動筒活塞桿基體材料為18Cr2Ni4WA，表面防護工藝原為鍍硬鉻工藝，因外場使用過程中鍍層鼓包、脫落導致漏油故障頻發，更換為超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層，涂層厚度為100～120 μm。防護涂層更換后鼓包、脫落及產品漏油故障大幅降低，但仍偶有發生。

為進一步提升超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層對活塞桿的防護能力，采用將涂層厚度增加至180～200 μm，并在涂層磨削后增加二次封孔處理，并進行廠內、外試驗驗證工作。

1 超音速火焰噴涂WC10Co4Cr涂層適海性工藝研究

1.1 原因分析

某電液舵機、側風門作動筒活塞桿涂層厚度參照轉包航空產品要求涂層厚度為100～120 μm，經航空產品多年驗證使用防護效果良好，但某電液舵機、側風門作動筒在海水中使用，間斷性接觸海水，工作環境較常規航空零部件及水利零件惡劣，航空產品涂層厚度可能不滿足該產品防腐需求[2]。

因兩項產品零件噴涂后進行磨削，且磨削量較大，磨削過程中可能損傷封孔層。當封孔層遭到損傷、破壞時，腐蝕電位降低，海水進入涂層幾率增加，涂層及基體腐蝕可能性增大，外場使用過程中海水自WC10Co4Cr 涂層表面進入，腐蝕涂層中的粘接相；海水進入涂層且涂層厚度不足時，涂層腐蝕較快，海水可較快到達基體，此時優先腐蝕基體并使基體產生腐蝕。隨著腐蝕產物體積膨脹，涂層局部區域出現鼓包、開裂甚至脫落現象，防護能力進一步下降，導致附近區域基體銹蝕狀況加劇，涂層鼓包、脫落區域繼續增大。

1.2 試驗方案設計及驗證

1.2.1 試驗方案設計

WC10Co4Cr 涂層封孔處理可封閉涂層表層孔隙，降低腐蝕介質進入涂層幾率，提高腐蝕電位，提高防護效果；厚度增加可延長介質到達基體時間，減少貫通性孔隙出現的幾率。為提升超音速火焰噴涂WC10Co4Cr 涂層防護能力，增加封孔和厚度分別從兩個方向增強涂層防護作用[3]。

1.2.1.1 按照改進前、后兩種方案噴涂活塞桿模擬件，測試耐腐蝕性能

鑒于某產品在東海、南海服役，停靠狀態下主要處于海洋性氣氛，工作狀態下活塞桿局部位于海水中，需經受海水沖刷。為考核海洋性氣氛、海水沖刷兩種條件下活塞桿涂層耐腐蝕性，分別按照改進前（涂層厚度100～120 μm+噴涂后一次封孔）、后（涂層厚度增加至180～200 μm，并在磨削后增加第二次封孔處理）噴涂6 件活塞桿模擬件，對比測試兩組活塞桿酸性鹽霧、海水飛濺性能。

1.2.1.2 采用改進后方案噴涂8 件活塞桿，跟蹤外場使用效果。

采用改進后方案分別噴涂4 件電液舵機、4 件側風門作動筒活塞桿，替換外場正在使用的活塞桿，實際考核6 個月觀察涂層表面狀態。

1.2.2 改進前、后耐腐蝕性對比測試

1.2.2.1 試件準備

參照電液舵機活塞桿準備12 件性能測試模擬件（示意圖見圖1），材料：18Cr2Ni4WA（技術條件：GJB1951-94）。表面E 進行滲碳，滲層厚度0.4～0.8 mm，滲碳表面硬度HRC58～64，非滲碳表面硬度HRC35～48。E 表面要求如下：①粗糙度Ra0.4；②尺寸：Φ28(-0.250/-0.271)。用振動筆在左端面依次標記為H2-1～H2-6，B1-1～B1-6。

圖1 模擬件示意圖

試件加工完成后，采用DJ2700 超音速火焰噴涂系統噴涂12 件模擬件，噴涂材料為Stark558 粉末，封孔劑選用TCS-06 雙組份封孔劑[4]。B1 組模擬件工藝流程為噴涂+封孔→涂層磨削，磨削后涂層最終厚度為100～120 μm；H2 組模擬件工藝流程為噴涂+封孔→涂層磨削→二次封孔，磨削后涂層最終厚度為180～200 μm。B1 組、H2 組模擬件測試前表面狀態見圖2、圖3。與B1 組，H2 組涂層表面相比略發暗。

圖2 B1 組模擬件試驗前狀態

圖3 H2 組模擬件試驗前狀態

1.2.2.2 酸性鹽霧測試[5]

選擇B1 組3 件模擬件（B1-1、B1-2、B1-3）、H2組3 件模擬件（H2-1、H2-2、H2-3）進行酸性鹽霧測試。試驗條件：溫度35 ℃；鹽霧采用（5±1）%的NaCl溶液（pH 值為3.5±0.5，），鹽霧沉降率(1.0～3.0)mL/80cm2·h；單次循環周期48 h（24 h 連續噴霧和24h 干燥）。測試進行至模擬件表面出現明顯銹蝕為止。酸性鹽霧測試結果見表1。

表1 酸性鹽霧測試結果

酸性鹽霧試驗測試結果表明：H2 組模擬件經34周期（1 632 h）酸性鹽霧后表面狀態較B1 組9 周期（432 h）酸性鹽霧試驗后表面狀態好，H2 組酸性鹽霧耐蝕性至少相當于B1 組的3.8 倍；B1 組涂層表面出現腐蝕花斑后，很快出現基體銹蝕的紅色產物；H2 組涂層表面出現黑色銹蝕后，需要較長時間才出現基體銹蝕（紅色銹蝕），銹蝕擴展速度比較緩慢。

1.2.2.3 海水飛濺測試

選擇B1 組3 件模擬件（B1-4、B1-5、B1-6）、H2組3 件模擬件（H2-4、H2-5、H2-6）進行海水飛濺測試。

測試方案如下：模擬最嚴苛的南海水域工況配制溶液并進行測試。具體方案為：仿照南海海水成分配制（溶液水溫：20～35℃；NaCl 質量比：2.8～3.2%；PH值：7.8～8.3），在室溫條件下使溶液一定速度（10 m/s）濺射至模擬件，每個測試周期24 h，包括12 h 連續海水飛濺和12 h 靜置），進行至基體表面出現明顯銹蝕為止。海水飛濺試驗裝置示意圖見圖4，模擬件海水飛濺現場圖見圖5。

圖4 海水飛濺試驗裝置示意圖

圖5 海水飛濺測試現場圖（靜置態）

海水飛濺測試結果見表2，海水飛濺后B1、H2 兩組模擬件表面狀態見圖6、圖7。

圖6 B1 組6 周期（144 h）海水飛濺后

圖7 H2 組67 周期（1 608 h）海水飛濺后

表2 海水飛濺測試結果

海水飛濺測試結果表明：H2 組經過67 周期（1 608 h）海水飛濺試驗后，僅1 件出現輕微花斑、變色；B1組經過6 周期（144 h）海水飛濺后3 件均出現嚴重的紅色腐蝕。H2 組67 個周期海水飛濺測試后表面狀態較B1 組6 周期測試后狀態好，海水飛濺耐蝕性至少相當于B1 組的11 倍；B1 組涂層表面出現腐蝕花斑后，很快出現基體銹蝕的紅色產物；H2 組涂層表面出現黑色銹蝕后，銹蝕擴展速度比較緩慢，直至67 周期測試結束仍未出現紅色銹蝕。

1.2.3 外場驗證

為進一步驗證改進方案防護性能，按改進后方案（涂層厚度增加至180～200μm+磨削后增加二次封孔處理）噴涂某電液舵機、側風門作動筒活塞桿各4件，替換外場正在使用的活塞桿，實際使用6 個月，觀察活塞桿表面狀態，驗證超音速火焰噴涂工藝優化改進后的外場耐蝕能力。外場驗證試驗結果見表3。

表3 改進后活塞桿外場使用效果

驗證結果表明：8 件改進后活塞桿經6 個月外場考核后，涂層外觀良好，無鼓包、脫落現象。

2 結論

經過試驗驗證可得出以下結論：

（1） 改進方案耐腐蝕性能改善明顯，H2 組（180～200 μm +二次封孔涂層）酸性鹽霧、海水飛濺耐蝕性均遠高于B1 組（100～120 μm +一次封孔涂層），其中酸性鹽霧耐蝕性至少相當于B1 組的3.8倍，海水飛濺耐蝕性至少相當于B1 組的11 倍。

（2） 酸性鹽霧、海水飛濺兩種測試條件下，H2組表面出現黑色銹蝕后，銹蝕擴展速度均比較緩慢，涂層銹蝕擴散至基體銹蝕周期很長。

（3） 外場實物驗證效果表明，采用改進后方案制備的活塞桿在外場使用效果良好，滿足某產品東海、南海工況下活塞桿表面防護要求。