超聲速火焰噴涂技術在飛機零部件修復中的應用探究

■ 肖欣博 高名傳 趙進利 陳同舟/凌云科技集團有限責任公司 武漢材料保護研究所有限公司

0 引言

超聲速火焰噴涂技術（HVOF）是使用超聲速焰流，將攜帶的粉末加熱加速到一定程度后，與基體表面發生相互碰撞，產生一種復雜的物理化學變化，從而在基體表面形成致密的涂層，實現某種特定的功能。

HVOF可噴涂材料范圍廣，可根據實際應用需求選擇不同成本與性能的材料，如鐵基粉末具有成本低的優勢，鎳基系列粉末多用于制備耐腐蝕性能要求較高的涂層，碳化鎢系列粉末多用于制備具有一定硬度要求的耐磨涂層，基本上可以替代傳統的鍍鉻工藝[1]。

1 待修復零件狀況

某型電樞裝配為輸油泵的關鍵部件，在工作過程中，其動力輸出軸以6000rpm以上的轉速高速運轉。輸出軸基材為12CrNi3A，外徑Ф7.5mm，原始表面處理工藝為電鍍硬鉻。在拆機檢修時發現，皮碗與輸出軸接觸部位尺寸超差（見圖1），部分零件的磨痕深度達到0.3～0.4mm，超出鍍鉻工藝修復極限。

圖1 某型電樞裝配

某型活塞桿基材為30CrMnSiA，修復部位外徑Φ34mm，原始表面處理工藝也為電鍍硬鉻，檢修時發現活塞桿表面存在拉傷（見圖2），部分位置深度達到0.3～0.5mm，超出鍍鉻工藝修復極限。

圖2 某型活塞桿

2 修復工藝

2.1 工藝路線制定

電樞裝配與活塞桿損傷形式主要為磨損，因此涂層材料的選擇優先考慮耐磨性。WC系列涂層因具有較高的顯微硬度、較好的耐磨耐蝕性能而受到國內學者的廣泛研究，該系列涂層的基材適用范圍較廣，顯微硬度高，孔隙率低。結合電樞裝配與活塞桿的使用工況和原材料以及超聲速火焰噴涂技術的工藝特點，有針對性地設計了如下修復路線：除鉻→預加工（機加工排除缺陷）→噴砂預處理（獲得清潔粗糙表面）→噴涂碳化鎢涂層（恢復尺寸并留加工余量，隨時監控零件表面溫度，避免退火）→磨削加工（達到圖紙尺寸要求）→無損檢測（磁粉）。

2.2 工藝實施

根據上述工藝路線進行電樞裝配與活塞桿的修復，所選用的零件損傷部位深度為0.1～0.2mm。所用的材料及關鍵設備型號如表1所示。

表1 修復材料及關鍵設備

2.3 修復結果

圖3、圖4為修復后的零件外觀及局部放大照片。

圖3 某型電樞裝配（修復后）

圖4 某型活塞桿（修復后）

3 涂層性能檢測

修復后的電樞裝配與活塞桿經測量，其尺寸及表面粗糙度均滿足圖紙要求，為進一步測試涂層性能，采用線切割在修復后的工件上切割取樣進行相關檢測。

3.1 涂層微觀結構

某型電樞裝配涂層截面形貌如圖5所示，涂層與基材之間結合緊密，涂層結構致密、均勻。

圖5 某型電樞涂層截面SEM圖

某型活塞桿涂層截面形貌如圖6所示，與電樞裝配涂層類似，涂層結構致密、均勻。

圖6 某型活塞桿涂層截面SEM圖

使用ImageJ軟件采用灰度法計算兩個零件的涂層孔隙率，分別為：電樞裝配0.02%、活塞桿0.13%，涂層的致密水平較高，孔隙率低于近期國內發表的超聲速火焰噴涂WC涂層孔隙率平均水平（0.42%～1.66%）[1-5]。孔隙率越低，表明該涂層緊密性越好，耐磨性越好，且較低的孔隙率可有效阻止腐蝕性介質的滲入，提高涂層的耐腐蝕性能。孔隙率的大小受材料、設備、工藝參數的影響，修復后零件較低的孔隙率表明選材得當，工藝參數設置合理。

3.2 涂層顯微硬度與結合強度

采用顯微硬度計對兩種零件涂層進行了顯微硬度測試，結果表明某型電樞裝配與活塞桿修復涂層的顯微硬度平均值分別為1283.5HV0.1、1275.5HV0.1，其涂層顯微硬度值均高于電鍍硬鉻涂層一般硬度（800～1000HV）。

HVOF噴涂碳化鎢涂層的抗拉結合強度依據GB/T 8642-2002方法在Ф25mm圓柱端面上測試。測試結果如表2所示，3組試樣都在膠層斷開，涂層的抗拉結合強度高于膠層粘結強度，即高于70MPa。

表2 涂層抗拉結合強度

3.3 摩擦磨損性能

由于電樞裝配修復部位尺寸過小，直徑只有Φ7.5mm，難以進行摩擦試驗取樣，故僅對活塞桿取樣進行了摩擦試驗。在UMT-1型多功能摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損性能試驗，摩擦形式為直線往復磨損，摩擦副為Ф4mm的GCr15鋼球，試驗載荷2N，測試頻率5Hz，測試時長10min，摩擦系數如圖7所示。

圖7 摩擦系數時間曲線

從圖7可以看出，隨著試驗的進行，摩擦系數在短期內（前30s）迅速增加，隨后進入一個相對穩定的階段，穩定在0.50～0.55范圍內。該試驗結果與國營蕪湖機械廠代雪婷[1]所得到的0.57～0.59的結果相近。

3.4 臺架試驗

為驗證修復涂層的使用效果，進行了電樞裝配與活塞桿的臺架測試。兩種零件均進行50h磨合試驗，期間每2h檢查產品性能及密封性，磨合試驗后分解檢查，重點檢查修復部位磨損情況。試驗結果表明，修復層在50h的測試周期內密封性未出現降低，且分解檢查發現涂層表面無明顯磨損擦傷，證明涂層可以滿足裝機使用要求。

4 結論

本文對某型電樞裝配與活塞桿兩種典型飛機零部件進行了超聲速火焰噴涂修復技術探究，通過工藝試驗及檢測，形成如下結論：

1）兩種零件表面制備的超聲速火焰噴涂碳化物修復涂層結構致密，孔隙率僅為0.02%、0.13%；平均顯微硬度為1283.5HV0.1、1275.5HV0.1，高于電鍍硬鉻涂層一般硬度（800～1000HV）；涂層結合強度高于70MPa；

2）涂層的耐磨性能穩定，且摩擦系數較低（0.5～0.55），有助于耐磨減摩。經50h的臺架試驗測試表明涂層滿足密封性要求，且無明顯磨損；

3）在軸類零件外圓修復中，超出鍍鉻工藝修復極限時，可使用超聲速火焰噴涂碳化鎢涂層的方式進行零件尺寸恢復。