火焰喷涂丝材耐磨涂层工艺研究

张禹　张元元　丁志伟　谢振武

摘 要：在热喷涂技术的实际应用过程中，涂层与基体的质涂过程程中结合是最为关心的问题之一，因为涂层与基体结合力的高低直接影响到涂层的应用。火焰喷涂镍铝丝/13%铬钢丝涂层是一种飞机发动机轴间耐磨硬涂层，用于400℃以下温度范围内抗磨粒、硬面、微动磨损、极为耐磨和抗氧化，在国外的发动机上已广泛应用。对氧化物和未熔颗粒的金相组织要求极为严格，同时火焰喷丝设备属于企业新引进设备，需要调整氧气与乙炔流量的匹配性、送丝速率的大小、喷涂距离和压缩空气的流量，来确保喷涂零件合格率。

关键词：丝材火焰喷涂；耐磨涂层；工艺研究

引言：本文主要研究某系列发动机的长轴内表面也要求喷涂该涂层，设计要求涂层厚度为底层镍铝丝0.07-0.13mm，面层铬钢丝0.43-0.68mm。用金属类耐磨涂层代替通常的陶瓷耐磨涂层，且用镍铝丝做底层，涂层的结合性更好，可以避免陶瓷类涂层因为脆裂造成的涂层剥落问题。同时还要使涂层硬度、金相组织中的氧化物、未熔颗粒及孔洞达到相关要求。通过调整喷涂角度、主气与次气的流量、送丝速率的大小，保证喷涂零件合格率，解决生产的急需。

一、试验材料及流程

1.材料方面

采用进口的METCO405NS镍铝丝及METCOLOY 2#铬钢丝材料。

1.1镍铝涂层其基体界面的污染小于20%，并且不允许有裂纹，另外，对于氧化物的要求是不超过20%，并且球形氧化物直径不允许超过100μm；片层状氧化物长度不得超过400μm且20mm视场内不允许超过3处；簇状氧化物直径不得超过150μm且相距不得小于10mm；连续的条状和密集氧化物区域大于500μm则不可接受。孔隙率要整体小于20%，并且单个孔隙直径不得大于100μm。未熔物要小于20%且分散，其直径小于60μm。但对于某些直径小于150μm且相距超过1mm的单个未熔颗粒可以接受。对于其他特性的要求是总孔隙率和未熔物不得超过40%。结合强度要在2500Psi左右。

1.2对于铬钢丝涂层：基体界面污染：小于20%，并且不允许有裂纹存在，另外对于氧化物的要求是，不能超过20%的含量，并且直径不大于100μm。簇状氧化物不超过200μm且距离超过10mm；不允许有超过200μm的条状或簇状氧化物；孔隙率要小于20%且直径小于150μm；未熔物要小于20%且是分散开的，直径小于150μm；宏观硬度要最小Rc33或HR15N70。

2.设备方面

采用的火焰喷丝设备是Sulzer Metco 6C-5K（瑞士美科制造）；吹砂机的型号是MACHINE MC 1000 Ti；另外烘箱DFH型，在0～300℃温度范围内可调；表面洛氏硬度计是TH310型；显微硬度机是FM-ARS9000；拉力机是型号是AG-250KNE。

二、涂层制备工艺流程：

根据对火焰喷丝涂层的制备试验，以及该涂层的特殊性能，另外根据对镍铝丝/铬钢丝涂层的制备实验，我们确定试样喷涂工艺流程如下：

喷涂前准备→清洗→保护→吹砂→喷涂（数据积累）→清理→性能测试→试验件喷涂及加工

1.喷涂前准备

按规格准备相应试样，准备好试样喷涂夹具。

2.清洗

用毛刷蘸丙酮对试样进行仔细的刷洗，彻底除去试样表面上的油污和其它杂物。试样除油后用干净的压缩空气吹干。

3.吹砂前保护

用耐高温胶带保护好试样的非吹砂表面及少部分喷涂区域（便于测量试样和涂层的厚度），一定要确保非吹砂表面不受损伤；耐高温胶带不得遮蔽吹砂表面。

4.吹砂

吹砂机具有可调风压气源的功能，并配有油水分离器。依据设计要求和喷涂试验优选出吹砂参数；具体要求是：吹砂后的试样表面应是均匀无金属光泽的粗糙表面，不允许有漏吹或过吹现象；吹砂后的试样表面应保持良好的清洁状态，避免吹砂表面污染，将试样表面的浮灰用经过油水分离器过滤的、洁净的压缩空气吹干净；吹砂后的试样要求在2 h内进行喷涂，如果超过规定的时间，必须进行重新吹砂。

5.喷涂是在规定的区域内火焰喷涂镍铝丝/铬钢丝。这需要注意的是试片的喷涂角度与喷涂距离应与零件的喷涂保持一致。并用干净的压缩空气将试片表面的浮灰清除，并固定在专用夹具上。要用不同的参数对试片进行喷涂，注意喷涂角度和走枪速度。还要安装冷却装置，调整冷却树的距离与风压。并且在喷涂过程中，应采用间歇、多次喷涂的方法，每次喷涂间断时间为20秒，保持试片在喷涂过程中温度均衡，有利于避免涂层产生裂纹。

6.涂层性能评价

经过上述工艺流程制备出的试片需要做金相、硬度等性能测试来对涂层进行综合评价。通过评价得出了两张金相底面层孔隙率小于20%，氧化物弥散且不存在大团簇状氧化物，未熔物小于20%，涂层组织合格；硬度测试采用的试验材料主要是低碳钢，其试样规格是40×20×2mm，涂层厚度实测值为 0.12mm（底层）/0.62 mm（面层），硬度测试结果为五点HR15N：72.3 ，75.7 ，73.1，75.9，80.5，平均值75.5，结论：合格。弯曲测试：试样材料是低碳钢，试样规格是75×50×1.2mm；底/面层弯曲后裂纹均少于标准照片所示，弯曲试验合格。结合强度实验结果如下，其试样材料是低碳钢；试样规格是φ25×（5-6）mm，涂层厚度实测值为0.27mm，要求结合强度不小于2055psi，实测值为3315psi，3260psi和3274psi，结合强度试验合格。

6.1通过得出的结果讨论与分析：送丝速率对涂层性能的影响，通过对四组情况进行分析得出涂层存在未熔颗粒和大孔洞，同时涂层的显微硬度和宏观硬度没达到要求，并且有的涂层硬度均达到要求，并且有的底层氧化物超标，另外喷涂过程中出现回火现象。75%的试样硬度合格，金相组织中少有氧化物和大的未熔颗粒，喷涂过程中喷枪状态稳定，故选用底层送丝188，面层送丝221的喷涂参数。

6.2喷涂的距离的优选

通过对硬度值可以看出，对于值高的，应该把喷涂距离控制在325mm左右。喷涂距离过远粉末的飞行速度与温度都有所下降，使涂层的结合力和硬度受到影响。距离过近，粉末的飞行时间过短，粉末粒子没有完全熔化同样影响涂层的性能。

三、结论

经过多次试验优化出的工艺参数和工艺方法喷涂的试片，各项性能能够满足设计需要；编制出临时工艺规程指导生产部门喷涂了零部件，喷涂后涂层状态良好；涂层加工后，符合设计要求，可以投产使用。通过对火焰喷丝的喷涂喷涂试验，该涂层各项性能指标也符合设计要求。

结语：通过以上实验可知，为了适应喷涂发展的需要，人们一直在用某些组元之间喷涂时能产生放热反应的材料，目的是提高粒子的温度，从而改善涂层与基体的结合强度。另外，材料表面热喷涂耐磨涂层已被广泛证明是切实可行的方法，但是在实际应用中仍然存在一定的问题，例如与基体结合力不足导致剥落、残余应力过大导致的开裂和剥落、涂层硬度不高而快速磨损或涂层韧性较差而发生脆断等，这些都制约着热喷涂涂层在耐磨领域的应用。今后的发展应在改进热喷涂工艺、开发新的热喷涂材料、深化热喷涂理论研究等方面继续努力，使热喷涂技术在国民经济发展的各个方面发挥更大、更好的作用。

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