絲材火焰噴涂鎳鋁底層工藝研究

張彥飛

摘 要：渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)上有5種零件需要采用絲材火焰技術(shù)制備鋁硅可磨耗封嚴(yán)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(guò)程中送絲速度對(duì)鎳鋁粘接底層性能的影響，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)制備的鎳鋁粘接底層性能滿足指標(biāo)要求，最終通過(guò)特種工藝鑒定并應(yīng)用于渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：鎳鋁粘接底層；絲材火焰噴涂；渦軸16發(fā)動(dòng)機(jī)

引言

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常使用中間粘結(jié)底層作為過(guò)渡層，提高表面封嚴(yán)涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，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(yán)涂層之前，在基體表面先制備一層鎳鋁粘結(jié)底層。所用的絲材斷面形貌如圖1所示，Ni-Al 20%復(fù)合絲材是典型的包覆型復(fù)合絲材，利用線/管復(fù)合法將鎳鋁芯線放入鋁管中，拉拔成一定直徑的噴涂復(fù)合絲材。Ni-A120%復(fù)合絲材是自粘接材料，在熱噴涂過(guò)程中Ni與A1發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成金屬間化合物，并釋放出大量熱，這一反應(yīng)過(guò)程甚至能持續(xù)到粒子碰撞到基體表面時(shí)。該效應(yīng)十分有利于變形粒子與基體表面形成微區(qū)冶金結(jié)合，從而提高粘結(jié)底層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度。

圖1 Ni-Al 20%復(fù)合絲材斷面形貌

1 結(jié)果與討論

16E絲材火焰噴涂設(shè)備的送絲速度控制系統(tǒng)在噴槍上，由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)從而將絲材擠壓出并送入火焰。送絲速度的快慢可通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)渦輪來(lái)調(diào)節(jié)，渦輪最多能順時(shí)針旋轉(zhuǎn)5.75圈。在0～5.75圈的范圍內(nèi)并不是渦輪處在任何位置都能送出絲，對(duì)于不同韌性的絲材都對(duì)應(yīng)一個(gè)最低渦輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，如Ni-Al20%絲材較軟，送絲的最低圈數(shù)為1.5圈，而Al-Si6%絲材相對(duì)較硬，對(duì)應(yīng)的最低圈數(shù)為5/3圈。由于不同絲材的柔韌程度不同，相同的渦輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對(duì)應(yīng)的送絲速度也不同，因此在摸索其他噴涂工藝參數(shù)前需先測(cè)量每種絲材的送絲速度。首先將驅(qū)動(dòng)渦輪的壓縮空氣的壓力和流量調(diào)節(jié)至目標(biāo)值。之后將渦輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)調(diào)至某一圈數(shù)，打開送絲開關(guān)，測(cè)量一個(gè)時(shí)間段內(nèi)送出絲的長(zhǎng)度，再計(jì)算即可得出某種絲的送絲速度。經(jīng)測(cè)量計(jì)算，Ni-Al20%絲材在2圈時(shí)的送絲速率為1575mm/min。

調(diào)節(jié)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(cè)試涂層的顯微硬度，觀察涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，測(cè)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(guān)系。

確定送絲速度前應(yīng)觀察焰流中的絲材熔化效果來(lái)調(diào)節(jié)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(duì)Ni-Al涂層組織及性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1，涂層外觀照片見圖2。

由圖2可以看出，Ni-Al20%復(fù)合絲材對(duì)噴涂工藝參數(shù)變化的適應(yīng)性較寬。渦輪1.5～2圈的范圍內(nèi)，涂層質(zhì)量較好。送絲速度再提高時(shí)涂層表面會(huì)有很多未熔顆粒產(chǎn)生，見圖2c-d。但是圈數(shù)為1.5時(shí)送絲過(guò)慢，容易堵槍熄火，不能采用該參數(shù)。圈數(shù)為2時(shí)涂層質(zhì)量最佳，見圖2b。圈數(shù)再增加時(shí)表面的未熔顆粒會(huì)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(dāng)渦輪圈數(shù)為4時(shí)對(duì)應(yīng)的沉積效率為103μm/遍，但是送絲速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致未熔顆粒的增多，如圖2d所示。

因Ni-Al20%復(fù)合絲材噴涂時(shí)對(duì)噴涂工藝參數(shù)變化的適應(yīng)性較寬，涂層的硬度與送絲速度之間不存在線性關(guān)系。如表1所示，在渦輪圈數(shù)為1.5～4的范圍內(nèi)，涂層的維氏硬度都能夠滿足技術(shù)指標(biāo)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(huán)境中噴涂金屬或合金時(shí)，絲材端部被熔化后再被霧化成熔滴噴涂形成涂層，復(fù)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(shí)最佳送絲速率應(yīng)該確定為渦輪圈數(shù)2圈。

用抗拉結(jié)合強(qiáng)度來(lái)測(cè)試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)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(duì)接充分粘合，然后將粘合的試棒放在烘箱內(nèi)使粘合劑固化，之后將試棒裝夾在電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。Ni-Al試棒拉伸后，膠粘層破斷，只有少量涂層被拽掉，此時(shí)測(cè)量的結(jié)合強(qiáng)度平均值為43.6MPa，大于指標(biāo)中要求的35MPa，測(cè)量結(jié)果合格。如果不噴涂Ni-Al粘接底層而直接噴涂Al-Si面層進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，面層全部被拉伸副拽掉，脫落位置發(fā)生在Al-Si面層和基體之間，此時(shí)測(cè)試的是Al-Si面層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，測(cè)量平均值為5.3MPa，說(shuō)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(guī)定根據(jù)需要采用杯突試驗(yàn)的方法對(duì)涂層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。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(gè)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(jìn)行試驗(yàn)后，被鋼球壓入后隆起的涂層無(wú)開裂和剝落，則試驗(yàn)合格。圖3給出了對(duì)鋼片上制備的Ni-Al粘接底層進(jìn)行杯突試驗(yàn)后的涂層外觀?？梢园l(fā)現(xiàn)盡管下壓深度為7.5mm，試驗(yàn)后被鋼球壓入后隆起的涂層基本無(wú)開裂和剝落，即Ni-Al粘接底層的杯突試驗(yàn)合格。

2 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)幾十次的噴涂工藝試驗(yàn)，確定了絲材火焰噴涂制備鎳鋁粘接底層的噴涂工藝參數(shù)，制備出的涂層硬度和結(jié)合強(qiáng)度等性能滿足技術(shù)指標(biāo)要求，投入正式生產(chǎn)。絲材火焰噴涂制備鎳鋁粘接底層不僅能在新機(jī)種的制造中得到應(yīng)用，還可以在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的修理中發(fā)揮重要作用。