噴注器釬焊鎳鍍層均勻性控制

權(quán)琳琳，翟繪豐，葉 暉

(西安航天發(fā)動機(jī)有限公司，陜西 西安710100)

0 引言

噴注器是液體火箭發(fā)動機(jī)推力室的“心臟”，其功能是將燃料和氧化劑分離，并按一定比例噴入燃燒室后迅速充分燃燒，保證發(fā)動機(jī)正常、可靠地工作[1]。噴注器由內(nèi)底和噴嘴等零件構(gòu)成，主要通過真空擴(kuò)散釬焊成型。噴注器與噴嘴之間的釬焊縫是將氧化劑和燃料分開的重要部位，該釬焊縫一旦發(fā)生滲漏，就會造成氧化劑和燃料發(fā)生接觸、混合，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)發(fā)生爆炸。因此，噴注器與噴嘴之間釬焊縫的密封性直接影響著釬焊質(zhì)量，對發(fā)動機(jī)工作性能有著較大的影響。

鎳鍍層作為噴嘴與噴注器釬焊的功能性鍍層，一方面可以促進(jìn)液態(tài)釬料的漫流、填縫，另一方面可以保護(hù)焊接面不會在釬焊過程中發(fā)生氧化，從而提高產(chǎn)品釬焊的成功率[2-3]。電鍍作為特種工藝，是不易直觀發(fā)現(xiàn)、不易測量產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的工藝，電鍍過程中鍍層的沉積也是一個(gè)復(fù)雜且不可視的過程[4-5]。從電鍍原理上分析，電鍍過程中，噴注器不同部位孔內(nèi)鎳鍍層厚度均勻性較難控制；經(jīng)電鍍后，鍍層整體上表現(xiàn)為中心區(qū)孔內(nèi)鎳鍍層偏厚，而邊區(qū)孔內(nèi)鎳鍍層偏薄。在當(dāng)前工藝參數(shù)下，邊區(qū)噴注器孔內(nèi)鍍層厚度偏薄對噴注器釬焊質(zhì)量存在著重要影響，因而有必要對噴注器孔內(nèi)鎳鍍層厚度均勻性的控制技術(shù)進(jìn)行研究，以保證孔內(nèi)鎳鍍層厚度可以滿足釬焊需求。

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)使用某型號發(fā)動機(jī)噴注器全尺寸模擬件，采用不同的仿形陽極對噴注器進(jìn)行電鍍，噴注器模擬件結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 噴注器模擬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of injector simulator

為了更形象地顯示出微觀方面零件表面電力線及電流密度的分布情況，采用CAD畫出了在不同仿形陽極下零件表面的電力線及電流密度分布圖。在噴注器電鍍完成后，采用內(nèi)徑千分尺對噴注器孔內(nèi)鍍層厚度進(jìn)行測量，同時(shí)對釬焊后的噴注器進(jìn)行2 MPa、10 min的氣密性試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 棒狀鎳陽極對鍍層厚度分布及其均勻性影響的研究

噴注器孔內(nèi)合適的鍍層厚度是保證液態(tài)釬料漫流、填縫能力的重要因素，進(jìn)而影響噴注器釬焊質(zhì)量。當(dāng)噴注器孔內(nèi)鍍層厚度較小時(shí)，鎳鍍層潤濕性較差，未能充分使釬料漫流、填縫；當(dāng)鍍層厚度較大時(shí)會影響噴嘴與噴注器之間的公差帶，從而影響裝配。在現(xiàn)有的銅-鋼釬焊試驗(yàn)中，鍍層厚度處于3～15 μm范圍時(shí)，可以滿足釬焊需求，釬焊縫也有著較好的質(zhì)量。然而，現(xiàn)有噴注器電鍍工藝所獲得的鍍層厚度及鍍層分布情況未見具體研究，也無具體數(shù)據(jù)。因此，為了獲得噴注器鍍層分布情況，為后續(xù)電鍍工藝的改進(jìn)提供理論及數(shù)據(jù)支撐，對現(xiàn)有噴注器電鍍工藝進(jìn)行復(fù)現(xiàn)。現(xiàn)有噴注器電鍍工藝所用的陽極為鎳陽極棒，電鍍鎳時(shí)間為40 min(噴注器兩端各電鍍20 min)，電鍍電流密度為0.6 A/dm2，具體電鍍方式如圖2所示。

圖2 噴注器電鍍過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the injector plating process

從圖2可以看出，在對噴注器進(jìn)行電鍍過程中，鎳陽極棒插入噴注器內(nèi)腔，且鍍覆至一半時(shí)間后，對噴注器進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)，以提高噴注器孔內(nèi)鍍層厚度分布的均勻性，從而完成整個(gè)噴注器的電鍍。在鎳鍍層厚度測量方面，鍍覆前、后采用內(nèi)徑千分尺對中底孔徑進(jìn)行測量，從而計(jì)算孔內(nèi)的鍍層厚度，孔內(nèi)鍍層厚度數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 噴注器不同區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度(棒狀鎳陽極)Fig.3 Coating thickness in different areas of the injector (rod-shaped nickel anode)

從圖3中a曲線可以看出，噴注器經(jīng)電鍍鎳40 min后，最外圈(即第6圈)孔內(nèi)鍍層厚度僅為1.4 μm，厚度較小，中心孔鍍層厚度為5.3 μm，不能滿足釬焊工藝使用要求。當(dāng)電鍍時(shí)間由40 min增加至120 min后(噴注器兩端各電鍍60 min)，最外圈孔內(nèi)鍍層厚度由原來的1.4 μm增加至現(xiàn)在的2.5 μm，有了較大提高(圖3中b曲線)。但是，隨著電鍍時(shí)間的增加，中心孔鍍層厚度也越來越大(11～13 μm)，從而導(dǎo)致中底孔內(nèi)各區(qū)域鍍層厚度散差較大。此外，在噴注器電鍍120 min時(shí)，邊區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度仍未達(dá)到工藝要求的不小于3～6 μm。

通過對現(xiàn)有電鍍工藝復(fù)現(xiàn)所獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，根據(jù)電鍍理論[6-12]，采用棒狀鎳陽極對噴注器進(jìn)行電鍍時(shí)，其電力線分布如圖4(a)所示。在電場的作用下，電力線在噴注器中心區(qū)域分布較為集中，因?yàn)槭車娮⑵鱾?cè)壁吸引電力線影響，從中心至邊區(qū)則電力線逐漸減少，相應(yīng)的噴注器不同區(qū)域的電流密度分布如圖4(b)所示。根據(jù)電力線的分布，噴注器經(jīng)電鍍后孔內(nèi)鍍層厚度呈現(xiàn)出中心區(qū)域厚、邊緣區(qū)域薄的現(xiàn)象。與此同時(shí)，試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)也與圖4中的電力線及電流密度分布圖相吻合，不同區(qū)域的孔內(nèi)鍍層厚度散差較大。因而通過簡單地延長電鍍時(shí)間雖然可以增加邊區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度，但中心區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度會出現(xiàn)過大現(xiàn)象，影響噴嘴裝配和釬焊質(zhì)量。

圖4 采用棒狀鎳陽極電鍍Fig.4 Plating of rod-shaped nickel anode

因此，通過對現(xiàn)有噴注器電鍍工藝的復(fù)現(xiàn)可以得出，當(dāng)電鍍過程中采用鎳陽極棒時(shí)，電力線分布不均勻而形成了噴注器噴嘴孔隔板上電流密度的梯度分布，從而造成了中心鍍層厚、邊區(qū)鍍層薄的現(xiàn)象。

2.2 仿形陽極對鍍層厚度分布及其均勻性影響的研究

在產(chǎn)品電鍍過程中，產(chǎn)品的形狀對離子的電沉積難易度及鍍層的分布均勻性有著較大的影響。噴注器形狀較為復(fù)雜，不僅在一定程度上增加了鍍層沉積的難度，而且加劇了鍍層在零件表面分布的散差，嚴(yán)重影響著鍍層分布的均勻性。

由于形狀復(fù)雜的產(chǎn)品在電鍍過程中電極上電流分布不均勻，會形成產(chǎn)品不同區(qū)域的鍍層厚度有較大的差異[13-17]。要改善噴注器鍍層分布的均勻性，必須根據(jù)噴注器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合適的仿形陽極。通過仿形陽極提高產(chǎn)品表面電流分布的均勻性，從而提高鍍層在陰極表面分布的均勻性。因此，擬通過設(shè)計(jì)不同的仿形陽極進(jìn)行電鍍，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得噴注器不同部位鍍層厚度分布規(guī)律，對仿形陽極結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化、調(diào)整，提高及控制鍍層分布的均勻性，提高產(chǎn)品釬焊質(zhì)量。

噴注器模擬件端口內(nèi)徑尺寸為192 mm，根據(jù)陽極在電鍍過程中電力線的分布，將陽極設(shè)計(jì)成底面為圓環(huán)形，減少中心區(qū)域的電力線，增加邊區(qū)的電力線分布?？紤]到陰、陽極間距過近時(shí)，局部鍍層會出現(xiàn)毛刺、粗糙等異?，F(xiàn)象，因而最初設(shè)計(jì)了尺寸較小的環(huán)形仿形陽極A，其尺寸為外徑110 mm，內(nèi)徑為50 mm(見圖5)。

圖5 仿形陽極AFig.5 Profile anode A

由圖5可以看出，該仿形陽極A主要由兩部分組成，上端的4根鎳棒和下端的鎳環(huán)。為了避免噴注器的中心孔區(qū)域因電力線過于集中而造成的鍍層超厚，陽極中心設(shè)計(jì)為開放無遮蔽的中空結(jié)構(gòu)，盡量減少噴注器中心區(qū)域電力線，從而降低中心區(qū)域的鍍層厚度，提高邊區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度，進(jìn)一步提高噴注器不同區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度的均勻性。

從圖6的數(shù)據(jù)可以看出，采用仿形陽極A后，在相同的電鍍參數(shù)條件下，最外圈鍍層厚度由原來的2.5 μm提高至現(xiàn)有的4.4 μm，但中心孔鍍層厚度驟然增加至24.6 μm。從獲得的鍍層厚度數(shù)據(jù)可知，在相同的電鍍參數(shù)條件下，邊區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度有了較大的提升，滿足現(xiàn)有釬焊工藝的要求；然而，中心區(qū)域尤其是中心孔內(nèi)鍍層厚度過大，孔內(nèi)鍍層厚度有著較大的散差，也影響了后續(xù)的噴嘴裝配及釬焊質(zhì)量。

圖6 噴注器不同區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度(仿形陽極A)Fig.6 Coating thickness in different areas of the injector (profile anode A)

根據(jù)仿形陽極A應(yīng)用所獲得的數(shù)據(jù)，邊區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度已滿足使用要求，中心區(qū)域鍍層厚度超出了工藝要求的范圍，整體孔內(nèi)鍍層厚度散差較大。據(jù)此，后期仿形陽極的改制將重點(diǎn)控制中心區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度。因而，擬通過增大仿形陽極的內(nèi)徑來降低中心區(qū)域鍍層厚度，從而改善孔內(nèi)鍍層厚度的均勻性。

由此設(shè)計(jì)了底面外徑160 mm、內(nèi)徑90 mm的仿形陽極B，改制后的仿形陽極B如圖7所示。

圖7 仿形陽極BFig.7 Profile anode B

采用仿形陽極B進(jìn)行電鍍后，噴注器不同區(qū)域鍍層厚度分布如圖8曲線所示，最外圈鍍層厚度約為4.3 μm，中心區(qū)域鍍層厚度約為18～20 μm。與仿形陽極A所獲得的鍍層厚度分布相比(見圖6)，中心區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度有所下降，但下降幅度不大，孔內(nèi)整體鍍層厚度散差仍然較大。

圖8 噴注器不同區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度(仿形陽極B)Fig.8 Coating thickness in different areas of the injector (profile anode B)

根據(jù)前期試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以得出，增大仿形陽極底面圓環(huán)的內(nèi)徑尺寸，可以減小中心區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度，但效果未達(dá)到預(yù)期。同時(shí)考慮陽極的上部結(jié)構(gòu)可能會通過圓環(huán)的中空部分對噴嘴隔板面中心區(qū)域電力線產(chǎn)生影響，為了更好地減小中心區(qū)域鍍層厚度，后續(xù)的試驗(yàn)中對仿形陽極做了進(jìn)一步改進(jìn)：一是將陽極底部做成圓形，原設(shè)計(jì)方案的中空部分以遮蔽的手段達(dá)到與圓環(huán)類似的結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以減小中心區(qū)域電力線的分布，同時(shí)可以避免陽極上部對中心區(qū)域電力線產(chǎn)生影響；二是繼續(xù)增大底面中空部分內(nèi)徑(采用遮蔽方式)，繼續(xù)削弱中心區(qū)域電力線分布。

此外，從前期試驗(yàn)所獲得數(shù)據(jù)分布規(guī)律可知，從噴注器第4圈噴嘴孔開始向中心區(qū)域鍍層厚度呈逐漸增大趨勢，且遞增幅度較大。噴注器的開口尺寸為φ192 mm，第4圈與第5圈噴嘴孔的交界處直徑約120 mm，因而在設(shè)計(jì)仿形陽極C時(shí)選擇的尺寸為外徑170 mm、內(nèi)徑120 mm(見圖9)。為了避免仿形陽極C邊緣與噴注器側(cè)面之間的磕碰及電鍍過程中較大電流密度對側(cè)面鍍層質(zhì)量產(chǎn)生影響，在仿形陽極C邊緣采用絕緣膠帶進(jìn)行遮蔽。同時(shí)，為了保證電鍍過程中溶液更好地交換，及時(shí)排除產(chǎn)品預(yù)鍍鎳過程中產(chǎn)生的氣泡，在陽極底面均勻地開孔，以保證噴注器表面鍍層均勻分布和鍍層質(zhì)量。

圖9 仿形陽極C Fig.9 Profile anode C

根據(jù)電鍍過程中電力線的分布理論，采用仿形陽極C后，將使得噴嘴孔隔板面的電力線分布更為均勻，見圖10(a)；尤其是對仿形陽極中心部位進(jìn)行遮蔽后，進(jìn)一步削弱了中心區(qū)域電力線的分布。在這種電力線分布的情況下，各區(qū)域的噴嘴孔內(nèi)電流密度也隨之分布均勻，從而使不同區(qū)域的噴嘴孔內(nèi)電流密度也更趨于均勻，見圖10(b)。

圖10 采用仿形陽極C電鍍Fig.10 Plating of profile anode C

采用仿形陽極C對噴注器進(jìn)行電鍍后，所獲得的鍍層厚度數(shù)據(jù)如圖11所示。從數(shù)據(jù)可以看出，中心孔內(nèi)鍍層厚度由原來的20～26 μm降至現(xiàn)在的9 μm左右，最外圈孔內(nèi)鍍層厚度仍保持4～6 μm的范圍內(nèi)。同時(shí)，不同區(qū)域噴嘴孔內(nèi)鍍層的分布趨勢與圖10(b)的電流密度分布圖基本吻合。因此，仿形陽極C的設(shè)計(jì)最為合理，有效降低了噴注器鍍層厚度散差，提高了鍍層的均勻性，滿足了產(chǎn)品釬焊要求。

圖11 不同仿形陽極下噴注器不同區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度Fig.11 Coating thickness in different areas of the injector under different profile anodes

2.3 陰、陽極間距對鍍層厚度分布及其均勻性影響的研究

電鍍過程中，除了陽極的形狀及尺寸會影響鍍層在陰極表面的均勻分布外，陰、陽極間距同樣會影響鍍層的均勻分布。因此，研究不同陰、陽極間距對鍍層分布的影響有著重大的意義。在實(shí)際的生產(chǎn)中，為避免零件邊緣電流過于集中而引起局部鍍層燒焦的現(xiàn)象，通常陰、陽極之間的間距為100～150 mm?？紤]到前期試驗(yàn)中仿形陽極C(外徑170 mm、內(nèi)徑120 mm)的外圓面與噴注器側(cè)壁面間距較近，僅約20 mm，因而為驗(yàn)證較近的極板間距對鍍層的表面質(zhì)量是否會造成較大影響，選擇噴注器噴嘴孔隔板面與陽極間距設(shè)置為20、50、80 mm的等差數(shù)列分布。

根據(jù)仿形陽極的電力線分布，畫出了噴注器與仿形陽極不同間距電力線分布圖，如圖12所示。從電力線分布圖分析可知，當(dāng)陰、陽極間距為20 mm時(shí)，電力線在陰極的分布為邊區(qū)集中，中心區(qū)域較少，邊區(qū)與中心區(qū)的電力線分布散差極大，也意味著邊區(qū)與中心區(qū)鍍層厚度散差極大；此外，在相同工藝參數(shù)條件下，較小的極板間距會使陰極表面的電流密度迅速增加，增大了陰極表面析氫的可能性，從而造成鍍層表面出現(xiàn)粗糙、針孔等現(xiàn)象。當(dāng)陰、陽極間距為80 mm時(shí)，從圖12中可以看出，邊區(qū)電力線在陰極表面的分布較少，此時(shí)在相同工藝參數(shù)下的陰極表面電流密度較小，陰極鍍層沉積速率低，電鍍時(shí)間長。當(dāng)陰、陽極間距為50 mm時(shí)，不僅極大地削弱了中心區(qū)電力線的集中分布，使電力線在陰極的分布相對均勻，提高了鍍層在陰極表面分布的均勻性，而且也可以獲得外觀及質(zhì)量較好的鎳鍍層。

圖12 噴注器與仿形陽極不同間距示意圖Fig.12 Schematic diagram of different spacing between injector and profile anode

根據(jù)對陰、陽極間距的設(shè)計(jì)，選用仿形陽極C進(jìn)行相應(yīng)的工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)中，在相同的電鍍工藝參數(shù)下，采用不同的陰、陽極間距進(jìn)行電鍍。從圖13可以看出，當(dāng)陰、陽極間距為20 mm時(shí)，第4圈及第5圈的孔內(nèi)鍍層厚度達(dá)30 μm以上，而邊區(qū)及中心區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度相對較小，鍍層厚度散差極大。當(dāng)陰、陽極間距為80 mm時(shí)，在相同的工藝參數(shù)條件下，邊區(qū)孔內(nèi)鍍層厚度僅1.8 μm，不滿足邊區(qū)工藝要求的不小于3～6 μm。當(dāng)陰、陽極間距為50 mm時(shí)，邊區(qū)及中心區(qū)域孔內(nèi)的鍍層厚度處于3～15 μm的范圍之內(nèi)，完全滿足工藝要求，且不同區(qū)域的孔內(nèi)鍍層厚度分布也較為均勻。

圖13 不同陰、陽極間距噴注器不同區(qū)域孔內(nèi)鍍層厚度Fig.13 Coating thickness in different areas of the injector under different cathode-anode spacing

此外，通過圖14中不同陰、陽極間距下表面鍍層質(zhì)量的對比可以看出，在較小的陰、陽極間距下，陰極表面會因較大的電流密度而造成鍍層表面出現(xiàn)粗糙及針孔現(xiàn)象，見圖14(a)。因此，在噴注器電鍍過程中，陰、陽極間距的最佳距離為50 mm。

圖14 不同陰、陽極間距下噴注器表面鎳鍍層質(zhì)量Fig.14 Quality of nickel coating on injector surface under different cathode-anode spacing

2.4 產(chǎn)品適用性及穩(wěn)定性

為進(jìn)一步對產(chǎn)品的適用性及穩(wěn)定性進(jìn)行研究，確保產(chǎn)品釬焊完成后各噴嘴與噴注器根部的釬焊腳飽滿且噴注器在2 MPa氣密試驗(yàn)合格率達(dá)到95%以上，對多臺噴注器產(chǎn)品鍍層厚度分布情況(見表1)及釬焊結(jié)果進(jìn)行了跟蹤。

表1 多臺噴注器鍍層厚度的分布Tab.1 Coating thickness distribution of multiple injectors

通過對近期7臺噴注器的跟蹤，電鍍后各噴注器孔內(nèi)鍍層厚度處于3～15 μm范圍之內(nèi)(見圖15)，滿足工藝要求；而且最外圈孔內(nèi)鍍層厚度處于4～5 μm之間，中心孔鍍層處于8.5～9.5 μm，多臺噴注器孔內(nèi)同一區(qū)域鍍層厚度基本一致，且噴注器的不同區(qū)域鍍層厚度散差較小。經(jīng)改進(jìn)、優(yōu)化后得到的工藝參數(shù)滿足釬焊要求，噴注器孔內(nèi)鍍層厚度均勻性有著較好的穩(wěn)定性。

圖15 多臺噴注器鍍層厚度分布圖Fig.15 Coating thickness distribution of multiple injectors

噴注器經(jīng)釬焊后，噴嘴根部形成了飽滿的釬腳，且釬焊縫致密、無缺陷?，F(xiàn)有的噴注器鎳鍍層厚度使液態(tài)釬料能夠順利地漫流、填縫，可以獲得噴嘴與噴注器之間致密、無孔洞的釬焊縫。與此同時(shí)，對釬焊后的噴注器進(jìn)行2 MPa，10 min的氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果較好，無滲漏等現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過對噴注器釬焊鎳鍍層厚度分布及均勻性研究，獲得了以下結(jié)論：

1)根據(jù)噴注器電鍍過程中電力線分布和孔內(nèi)不同部位鍍層厚度分布數(shù)據(jù)，獲得了電鍍過程噴注器不同區(qū)域的電流密度分布圖。

2)對影響噴注器電鍍過程電力線分布因素進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)和制作了電鍍專用仿形陽極，而且通過試驗(yàn)獲得仿形陽極與噴注器之間的最佳間距。

3)經(jīng)過對多臺產(chǎn)品的適用性及穩(wěn)定性研究，邊區(qū)孔內(nèi)鎳鍍層厚度可以控制在4～5 μm之間，中心區(qū)噴嘴孔內(nèi)鍍層厚度可以控制在8.5～9.5 μm，鍍層厚度均勻性有了極大提高；同時(shí)，噴注器釬焊后2 MPa氣密合格率達(dá)到了100%。