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低温超音速喷涂Al-Si涂层制备及应用研究

陈礼顺 应湖南 曾志峰

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低温超音速喷涂Al-Si涂层制备及应用研究

    作者简介: 陈礼顺(1971— ),男,博士,副教授。主要研究方向:航空发动机维修、故障诊断.
  • 中图分类号: V263.6;TH132.41

Preparation and Application of Low Temperature Supersonic Spraying Al-Si Coating

  • CLC number: V263.6;TH132.41

  • 摘要: 为解决ZM5镁合金机件在修理中易变形的问题,采用低温超音速喷涂技术制备Al-Si涂层,通过胶结对偶试样拉伸试验、金相显微镜及图像分析软件、显微硬度仪,分别评价涂层的结合强度、孔隙率和硬度,并通过扫描电子显微镜(SEM)对涂层形貌进行分析,评价分析结果表明:制备的涂层结合强度为51.3 MPa,孔隙率为0.1%,显微硬度为135.9 HV0.1,均优于合格标准。显微结构表明:制备的涂层致密,孔隙及裂纹少,具有优异的性能,可用于ZM5合金机件的修理。根据制定的镁合金机件修理工艺流程将该方法应用于ZM5合金机件修复,修复结果表明:镁合金机件变形量超出规定。通过进一步分析研究机件变形原因,采用优化喷涂参数,改进专用工装,加强时效处理等措施,再次对镁合金机件进行修复,修理后的ZM5合金机件变形量符合技术要求。低温超音速喷涂技术制备的涂层具有结合强度高,孔隙率低,显微硬度好,涂层致密,且机件不易发生变形的优异性能,可以用于ZM5镁合金机件修复,有效地解决了ZM5镁合金机件修理变形的难题。
  • 图 1  低温超音速喷涂设备实物图

    图 2  低温超音速喷涂Al-Si涂层宏观形貌照片

    图 3  涂层结合强度测试样件示意图

    图 4  Al-Si涂层截面OM照片及孔隙率计算结果

    图 5  Al-Si涂层表面显微硬度测试点

    图 6  Al-Si涂层截面微观形貌

    图 7  下传动盖零件图

    图 8  轴承安装座零件图

    表 1  ZM5镁合金化学成分(质量分数 /%)

    元素AlMnSiZnFeCuNi杂质总量
    含量7.50~9.000.15~0.500.300.20~0.800.050.200.010.50
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    表 2  Al-Si粉末的化学成分(质量分数 /%)

    元素AlSiCuFeMgMn
    含量bal.11.80.020.16< 0.01< 0.01
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    表 3  低温超音速喷涂Al-Si粉末的工艺参数

    工艺参数数值
    丙烷压力 /psi 80
    空气压力 /psi 90
    送粉速率 /(g·s–1) 0.32
    喷涂距离 /mm 140
    转台转速 /(r·m–1) 200
    喷涂角度 /(°) 60
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-05
  • 录用日期:  2019-07-02
  • 刊出日期:  2019-09-01

低温超音速喷涂Al-Si涂层制备及应用研究

    作者简介: 陈礼顺(1971— ),男,博士,副教授。主要研究方向:航空发动机维修、故障诊断
  • 南昌航空大学 通航(民航)学院,南昌 330063

摘要: 为解决ZM5镁合金机件在修理中易变形的问题,采用低温超音速喷涂技术制备Al-Si涂层,通过胶结对偶试样拉伸试验、金相显微镜及图像分析软件、显微硬度仪,分别评价涂层的结合强度、孔隙率和硬度,并通过扫描电子显微镜(SEM)对涂层形貌进行分析,评价分析结果表明:制备的涂层结合强度为51.3 MPa,孔隙率为0.1%,显微硬度为135.9 HV0.1,均优于合格标准。显微结构表明:制备的涂层致密,孔隙及裂纹少,具有优异的性能,可用于ZM5合金机件的修理。根据制定的镁合金机件修理工艺流程将该方法应用于ZM5合金机件修复,修复结果表明:镁合金机件变形量超出规定。通过进一步分析研究机件变形原因,采用优化喷涂参数,改进专用工装,加强时效处理等措施,再次对镁合金机件进行修复,修理后的ZM5合金机件变形量符合技术要求。低温超音速喷涂技术制备的涂层具有结合强度高,孔隙率低,显微硬度好,涂层致密,且机件不易发生变形的优异性能,可以用于ZM5镁合金机件修复,有效地解决了ZM5镁合金机件修理变形的难题。

English Abstract

    • 附件机匣传动装置是航空发动机重要的单元体结构之一,在工作中承受各种载荷,在周期性的振动和微动磨损作用下,附件机匣壳体易产生弹性变形,导致附件机匣转接安装孔内径偏大、转接座径向跳动量不合格等故障。

      附件机匣壳体采用ZM5合金材料,耐腐蚀性差,易产生磨损,且为薄壁件,容易变形;其熔点为430~600 ℃,常规的修理方法如电弧焊产生的温度高,易在修复区产生气孔,变形等缺陷[1-3]

      低温超音速喷涂技术以高压焰流携带硬质固体粒子经特殊设计的喷管产生超音速气固双相流,通过撞击基体表面,使得粒子在完全固态或热塑态下发生高塑性畸变[4-5],具有热输入量小,能量集中,自动化程度高,可重复性好的优点,广泛应用于镁、铝、钛、铜、铸铁等敏感基体表面制备非晶、铜基、铝基、钛基和碳化物等敏感金属涂层,制备的涂层具有孔隙率低,与基体的结合强度高,相对耐磨性好等优势[6];相对于常规补焊工艺,其修复后的机件变形小,质量高;相对于激光,电子束工艺,其适用性强,成本低廉[7]。可作为ZM5镁合金增材修复工艺试验研究。

      本文提出采用低温超音速喷涂Al-Si涂层修复ZM5镁合金机件的新方法,制订并实施了完整的ZM5镁合金机件增材再制造新工艺流程,确定ZM5镁合金机件加工和喷涂参数,制作喷涂专用工装,采取时效处理技术,实现ZM5镁合金机件再制造修复,解决ZM5镁合金机件修复难题,为ZM5镁合金机件再制造修复提供了新方法。

    • 以ZM5镁合金为基体,化学成份见表1,尺寸为30 mm × 15 mm × 10 mm及ϕ25.4 mm × 10 mm,选用Al-Si粉末,粉末的化学成份见表2。采用装备再制造技术国防科技重点实验室自研低温超音速喷涂系统制备涂层,低温超音速喷涂系统主要由喷枪、控制柜、空气压缩机、送粉器、冷却装置及高速转台等组成,如图1所示。

      表 1  ZM5镁合金化学成分(质量分数 /%)

      元素AlMnSiZnFeCuNi杂质总量
      含量7.50~9.000.15~0.500.300.20~0.800.050.200.010.50

      表 2  Al-Si粉末的化学成分(质量分数 /%)

      元素AlSiCuFeMgMn
      含量bal.11.80.020.16< 0.01< 0.01

      图  1  低温超音速喷涂设备实物图

    • 基体试样准备及涂层制备步骤如下:1)为除去试样表面的油污,将试样放在超声波试验器中进行清洗,清洗液为丙酮;2)为增加试样表面粗糙度并去除表面氧化物及杂质,采用24目(700 μm)的棕刚玉对试样表面用进行喷砂粗化处理,压力为0.7 MPa,试样与喷枪距离为150 mm,角度为90°;3)为去除试样表面的残留砂粒,喷砂结束后用喷枪吹气清除砂粒,确保在2小时内完成喷涂工作,以提高涂层与基体的结合强度;4)选用燃烧热值低的雾化丙烷气体作为主燃料,以压缩空气为助燃气体,利用低温超音速焰流对基体进行预热(预热温度为80 ℃),而后开启送粉器及机械臂实施喷涂。通过控制喷枪扫描遍历次数将涂层厚度控制在250~350 μm;5)喷涂结束后,停止送粉,关闭火焰,机械手回到初始位置。根据相关文献资料[8]及多次试验确定Al-Si粉末喷涂工艺参数见表3。Al-Si涂层宏观形貌见图2

      表 3  低温超音速喷涂Al-Si粉末的工艺参数

      工艺参数数值
      丙烷压力 /psi 80
      空气压力 /psi 90
      送粉速率 /(g·s–1) 0.32
      喷涂距离 /mm 140
      转台转速 /(r·m–1) 200
      喷涂角度 /(°) 60

      图  2  低温超音速喷涂Al-Si涂层宏观形貌照片

    • 1)测试涂层的拉伸结合强度:模拟附件机匣工作状况,将试件放在80~120 ℃热滑油中浸泡2 h。采用胶结对偶试样拉伸试验法,所使用的胶粘剂为上海合成树胶厂生产的E-7胶,胶结过程中严格控制对偶试件同轴度,胶结后,在烘箱内保温3 h,温度100 ℃,并随炉冷却,放置24 h后在WE-100型液压万能试验机测试拉伸结合强度,见图3,涂层与基体的结合强度为51.3 MPa。涂层的结合强度规定 ≥ 34 MPa。

      图  3  涂层结合强度测试样件示意图

      2)测试涂层孔隙率:对Al-Si涂层试样截面进行抛光处理后,采用奥林巴斯金相显微镜(OM)观察其形貌,运用专业孔隙率分析软件ImageJ2x测试涂层截面的孔隙率,涂层孔隙率为0.1%,见图4。涂层孔隙率小,说明涂层致密,内部缺陷小。

      图  4  Al-Si涂层截面OM照片及孔隙率计算结果

      3)涂层表面显微硬度测试:采用HXD-1000型显微硬度仪,设置载荷为100 g,加载时间为15 s,测试点为5 × 4的方阵,共20个测试点,其中相邻测试点间的距离为100 μm,取其算术平均值,见图5。涂层显微硬度为135.9 HV0.1,涂层的硬度规定 ≥ 105 HV0.1

      图  5  Al-Si涂层表面显微硬度测试点

      4)微观结构:采用Quanta 200系列扫描电镜(SEM)对涂层抛光后截面微观形貌进行观察。图6为涂层截面SEM图片。由图6a可以看出,在靠近涂层表面处可观察到不同程度的金属射流,射流使得相邻颗粒之间产生互锁,减少了裂纹及孔洞的产生,如图中白色箭头所示。图中黑色箭头表明颗粒撞击之后发生扁平化,但颗粒与涂层之间产生了裂纹,未形成紧密结合。图6b白色箭头所示为单个颗粒发生扁平化现象,并与周围其他颗粒结合紧密,边界不存在裂纹,从该图中可以看出,低温超音速喷涂Al-Si涂层致密,存在很少孔隙及裂纹,具有优异的性能。

      图  6  Al-Si涂层截面微观形貌

    • 根据实验结果可知:低温超音速喷涂Al-Si涂层具有结合强度高,涂层孔隙率低,显微硬度高,Al-Si涂层致密,存在很少的孔隙及裂纹,且试样不变形的优良特性,能满足ZM5镁合金附件机匣安装孔增材修复要求。

    • 待修理的附件机匣下传动盖材料为ZM5镁合金,结构为薄壁件,有3个安装孔,见图7,每个安装孔均与轴承安装座相配合。轴承安装座采用带安装边的形式,见图8,用螺桩直接固定在下传动盖上,轴承安装座外径和下传动盖壳体内孔之间采用间隙配合。发动机工作时,在交变应力作用下,轴承安装座和下传动盖安装孔之间会出现周期性、小振幅振动,造成接触表面磨损,材料损失,零件松动,功率损失,噪声增加[9-10]

      图  7  下传动盖零件图

      图  8  轴承安装座零件图

    • 根据下传动盖结构特点及故障机理,结合低温超音速喷涂技术,经过充分的研究,论证,制定如下修理工艺流程。

      1)将待修理的下传动盖固定在坐标镗床上,对需要修复的安装孔进行镗削加工,沿孔径方向镗削0.1 mm,以保证安装孔的圆柱度和喷涂的均匀性。

      2)清洗下传动盖,除去油污;对需要修复的下传动盖安装孔采用24目(700 μm)的棕刚玉进行喷砂粗化处理,压力为0.6 MPa,试样与喷枪距离为150 mm,角度为60°,为除掉下传动盖表面的残留砂粒,喷砂结束后用喷枪吹气清除砂粒,以提高涂层与基体的结合强度。

      3)下传动盖固定在专用工装上,将专用工装安装到喷涂设备转台上。准备工作完成后,打开相应开关,采用低温超音速焰流对工件进行预热,并实施喷涂工作,通过控制喷涂参数,使得下传动盖喷涂面温度保持在150 ℃以下,涂层厚度控制在250~350 μm,喷涂工艺参数见表3

      4)喷涂完后,进行时效处理,加工涂层至规定值。

      5)将加工后的下传动盖放在平台上检查接合面变形量,规定下传动盖结合面着色印痕不少于90%,且沿外形不应有断开现象。

      6)如检查合格,进行装配、试验、试车、交付。

      下传动盖修理工艺流程:镗孔→清洗除油→喷砂粗化处理→安装固定机件→喷底层→喷工作涂层→时效处理→加工涂层至规定值→检查变形量→装配→试验→试车→交付。

    • 采用上述修理工艺流程修理的下传动盖在检查变形量时发现下传动盖结合面变形量约为0.5 mm。下传动盖结合面变形不仅影响齿轮传动精度,而且还会导致滑油从下传动盖结合面处泄漏出来,造成滑油消耗量大,滑油系统内零件得不到充分的润滑,相偶合的零件发生干摩擦,长期工作后就会产生磨损、胶合、剥落等机械故障。

    • 针对喷涂后下传动盖发生变形的问题,经与有关专家讨论,分析,现场查看喷涂工艺流程,寻找引起下传动盖变形的各种原因,并制定了针对性的改进措施。

    • 下传动盖为ZM5镁合金的薄壁件,熔点为430~600 ℃,比较低,线膨胀系数为a = 23 × 10−6(1/℃)大,导热性强而易引起较大的热应力,对热输入量非常敏感,喷涂时温度约为150 ℃左右,安装孔内径为42 mm,根据变形量的计算公式:

      $ \Delta d = \Delta t \times \alpha \times \phi d $

      (1)

      式中:Δd变形量;Δt为工作温度和常温之差;α为线膨胀系数;Φd为安装孔内径。根据式(1),在喷涂状态,附件机匣安装孔将变形0.126 mm,如果3个安装孔同时喷涂,附件机匣壳体累加的变形量将更大。

      改进措施为:从优化喷涂参数,调低喷涂温度,减少热应力入手,经过认真的分析,确定在不影响涂层结合强度等性能的情况下对喷涂参数进行优化:丙烷压力由80 psi调整至76 psi,空气压力由90 psi调整至92 psi,喷涂距离由140 mm调至180 mm,喷涂厚度0.35 mm,分5次喷涂,每次喷涂时间间隔5 min。

    • 专用工装主要是对机件起约束、固定作用,防止机件在喷涂过程中变形。检查专用工装,发现现有工装存在以下几个问题。一是工装基准面粗糙度大且平面度不能满足要求,导致喷涂过程中下传动盖发生变形;二是工装的转轴固定在一个安装孔的位置,在喷涂另外2个安装孔的过程中转轴中心与设备旋转中心不同轴,致使喷涂涂层厚薄不均,造成下传动盖发生变形;三是工装上没有下传动盖固定装置,无法约束其喷涂过程中的变形量;四是下传动盖中的2个定位销孔作为整个机件的装配基准,未得到有效的保护和定位,将导致喷涂后的零件发生变形无法装配到机匣定位销上;五是下传动盖保护板下未加隔热层,使得喷涂产生的热量集中在零件上。

      改进措施为:针对以上5个问题,重新设计了专用工装,1)在专用工装表面研磨抛光;2)在专用工装3个孔处均增加转轴的安装位置;3)专用工装增加约束条件,防止机件变形;4)按照下传动盖螺桩孔的位置,在专用工装设计螺桩孔,以便固定下传动盖,增加定位销;5)增加隔热层,减少热量的传递,保证下传动盖在喷涂过程中不变形。

    • 喷涂完后下传动盖未安排人工时效处理,冷却速度过快,导致下传动盖变形量增大。

      改进措施为:喷涂现场放置保温箱,喷涂完后将下传动盖放进保温箱内进行时效处理,以减少下传动盖变形量。

    • 按照上述改进措施对下传动盖进行再次增材修复。将下传动盖安装在重新设计的工装上并增加隔热层,将转轴安装在对应的喷涂安装孔位置,固定在喷涂设备转台上,采用优化后的喷涂参数,分5次对下传动盖安装孔进行低温超音速喷涂,涂层厚度约0.35 mm。喷涂完后下传动盖放进保温箱内进行时效处理,12 h后从专用工装上分下下传动盖。检查零件结合面无变形,涂层均匀,解决了ZM5镁合金零件喷涂后易变形的难题。喷涂后将下传动盖安装孔加工到规定尺寸,在车削力作用下涂层未出现掉块现象,表明涂层结合力好。将下传动盖装在附件机匣上,进行密封检查,未发现下传动盖结合面有漏油现象,表明下传动盖密封性良好,修复后下传动盖未发生变形;整机装配完后进行台架试车,发动机各项性能参数均满足使用要求,也未出现漏油等异常现象;试车后抽取滑油油样进行光谱分析,滑油中金属元素未出现超标现象,表明下传动盖修复后效果好;试车后分下下传动盖检查,涂层未出现剥落、掉块等现象。应用结果表明:上述改进措施有效,低温超音速喷涂技术对下传动盖安装孔增材修复方法可行,实现了ZM5镁合金机件增材修复要求,解决了ZM5镁合金机件增材修理中容易变形的难题。

    • 1)低温超音速喷涂技术制备的涂层,具有结合强度高,涂层孔隙率低,显微硬度高,Al-Si涂层致密,存在很少的孔隙及裂纹,且试样不变形的优良特性,能满足ZM5镁合金机件的增材修复要求。

      2)针对ZM5镁合金机件修理后发生变形的问题,采用优化喷涂参数,改进专用工装,加强时效处理等改进措施,经修理后的ZM5镁合金机件变形量复合要求。应用结果表明:改进措施有效,可行。

      3)以低温超音速喷涂技术为核心ZM5镁合金机件修复技术,实现了恢复ZM5镁合金机件尺寸,降低了生产成本,解决了ZM5镁合金机件修复易变形的难题,为ZM5镁合金机件再制造修复提供了新方法。

参考文献 (10)

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