超音速火焰喷涂WC10Co4Cr 涂层适海性工艺研究

丁 伟，曹圣兵

（1.海军装备部，陕西西安 710000；2.庆安集团有限公司，陕西西安 710077）

前言

超音速火焰喷涂WC10Co4Cr 涂层作为硬铬镀层替代工艺，在国内外各类尤其是航空、水利领域得到了广泛应用，用于各类活塞杆零件表面防护，效果优异。某电液舵机、侧风门作动筒活塞杆基体材料为18Cr2Ni4WA，表面防护工艺原为镀硬铬工艺，因外场使用过程中镀层鼓包、脱落导致漏油故障频发，更换为超音速火焰喷涂WC10Co4Cr 涂层，涂层厚度为100～120 μm。防护涂层更换后鼓包、脱落及产品漏油故障大幅降低，但仍偶有发生。

为进一步提升超音速火焰喷涂WC10Co4Cr 涂层对活塞杆的防护能力，采用将涂层厚度增加至180～200 μm，并在涂层磨削后增加二次封孔处理，并进行厂内、外试验验证工作。

1 超音速火焰喷涂WC10Co4Cr涂层适海性工艺研究

1.1 原因分析

某电液舵机、侧风门作动筒活塞杆涂层厚度参照转包航空产品要求涂层厚度为100～120 μm，经航空产品多年验证使用防护效果良好，但某电液舵机、侧风门作动筒在海水中使用，间断性接触海水，工作环境较常规航空零部件及水利零件恶劣，航空产品涂层厚度可能不满足该产品防腐需求[2]。

因两项产品零件喷涂后进行磨削，且磨削量较大，磨削过程中可能损伤封孔层。当封孔层遭到损伤、破坏时，腐蚀电位降低，海水进入涂层几率增加，涂层及基体腐蚀可能性增大，外场使用过程中海水自WC10Co4Cr 涂层表面进入，腐蚀涂层中的粘接相；海水进入涂层且涂层厚度不足时，涂层腐蚀较快，海水可较快到达基体，此时优先腐蚀基体并使基体产生腐蚀。随着腐蚀产物体积膨胀，涂层局部区域出现鼓包、开裂甚至脱落现象，防护能力进一步下降，导致附近区域基体锈蚀状况加剧，涂层鼓包、脱落区域继续增大。

1.2 试验方案设计及验证

1.2.1 试验方案设计

WC10Co4Cr 涂层封孔处理可封闭涂层表层孔隙，降低腐蚀介质进入涂层几率，提高腐蚀电位，提高防护效果；厚度增加可延长介质到达基体时间，减少贯通性孔隙出现的几率。为提升超音速火焰喷涂WC10Co4Cr 涂层防护能力，增加封孔和厚度分别从两个方向增强涂层防护作用[3]。

1.2.1.1 按照改进前、后两种方案喷涂活塞杆模拟件，测试耐腐蚀性能

鉴于某产品在东海、南海服役，停靠状态下主要处于海洋性气氛，工作状态下活塞杆局部位于海水中，需经受海水冲刷。为考核海洋性气氛、海水冲刷两种条件下活塞杆涂层耐腐蚀性，分别按照改进前（涂层厚度100～120 μm+喷涂后一次封孔）、后（涂层厚度增加至180～200 μm，并在磨削后增加第二次封孔处理）喷涂6 件活塞杆模拟件，对比测试两组活塞杆酸性盐雾、海水飞溅性能。

1.2.1.2 采用改进后方案喷涂8 件活塞杆，跟踪外场使用效果。

采用改进后方案分别喷涂4 件电液舵机、4 件侧风门作动筒活塞杆，替换外场正在使用的活塞杆，实际考核6 个月观察涂层表面状态。

1.2.2 改进前、后耐腐蚀性对比测试

1.2.2.1 试件准备

参照电液舵机活塞杆准备12 件性能测试模拟件（示意图见图1），材料：18Cr2Ni4WA（技术条件：GJB1951-94）。表面E 进行渗碳，渗层厚度0.4～0.8 mm，渗碳表面硬度HRC58～64，非渗碳表面硬度HRC35～48。E 表面要求如下：①粗糙度Ra0.4；②尺寸：Φ28(-0.250/-0.271)。用振动笔在左端面依次标记为H2-1～H2-6，B1-1～B1-6。

图1 模拟件示意图

试件加工完成后，采用DJ2700 超音速火焰喷涂系统喷涂12 件模拟件，喷涂材料为Stark558 粉末，封孔剂选用TCS-06 双组份封孔剂[4]。B1 组模拟件工艺流程为喷涂+封孔→涂层磨削，磨削后涂层最终厚度为100～120 μm；H2 组模拟件工艺流程为喷涂+封孔→涂层磨削→二次封孔，磨削后涂层最终厚度为180～200 μm。B1 组、H2 组模拟件测试前表面状态见图2、图3。与B1 组，H2 组涂层表面相比略发暗。

图2 B1 组模拟件试验前状态

图3 H2 组模拟件试验前状态

1.2.2.2 酸性盐雾测试[5]

选择B1 组3 件模拟件（B1-1、B1-2、B1-3）、H2组3 件模拟件（H2-1、H2-2、H2-3）进行酸性盐雾测试。试验条件：温度35 ℃；盐雾采用（5±1）%的NaCl溶液（pH 值为3.5±0.5，），盐雾沉降率(1.0～3.0)mL/80cm2·h；单次循环周期48 h（24 h 连续喷雾和24h 干燥）。测试进行至模拟件表面出现明显锈蚀为止。酸性盐雾测试结果见表1。

表1 酸性盐雾测试结果

酸性盐雾试验测试结果表明：H2 组模拟件经34周期（1 632 h）酸性盐雾后表面状态较B1 组9 周期（432 h）酸性盐雾试验后表面状态好，H2 组酸性盐雾耐蚀性至少相当于B1 组的3.8 倍；B1 组涂层表面出现腐蚀花斑后，很快出现基体锈蚀的红色产物；H2 组涂层表面出现黑色锈蚀后，需要较长时间才出现基体锈蚀（红色锈蚀），锈蚀扩展速度比较缓慢。

1.2.2.3 海水飞溅测试

选择B1 组3 件模拟件（B1-4、B1-5、B1-6）、H2组3 件模拟件（H2-4、H2-5、H2-6）进行海水飞溅测试。

测试方案如下：模拟最严苛的南海水域工况配制溶液并进行测试。具体方案为：仿照南海海水成分配制（溶液水温：20～35℃；NaCl 质量比：2.8～3.2%；PH值：7.8～8.3），在室温条件下使溶液一定速度（10 m/s）溅射至模拟件，每个测试周期24 h，包括12 h 连续海水飞溅和12 h 静置），进行至基体表面出现明显锈蚀为止。海水飞溅试验装置示意图见图4，模拟件海水飞溅现场图见图5。

图4 海水飞溅试验装置示意图

图5 海水飞溅测试现场图（静置态）

海水飞溅测试结果见表2，海水飞溅后B1、H2 两组模拟件表面状态见图6、图7。

图6 B1 组6 周期（144 h）海水飞溅后

图7 H2 组67 周期（1 608 h）海水飞溅后

表2 海水飞溅测试结果

海水飞溅测试结果表明：H2 组经过67 周期（1 608 h）海水飞溅试验后，仅1 件出现轻微花斑、变色；B1组经过6 周期（144 h）海水飞溅后3 件均出现严重的红色腐蚀。H2 组67 个周期海水飞溅测试后表面状态较B1 组6 周期测试后状态好，海水飞溅耐蚀性至少相当于B1 组的11 倍；B1 组涂层表面出现腐蚀花斑后，很快出现基体锈蚀的红色产物；H2 组涂层表面出现黑色锈蚀后，锈蚀扩展速度比较缓慢，直至67 周期测试结束仍未出现红色锈蚀。

1.2.3 外场验证

为进一步验证改进方案防护性能，按改进后方案（涂层厚度增加至180～200μm+磨削后增加二次封孔处理）喷涂某电液舵机、侧风门作动筒活塞杆各4件，替换外场正在使用的活塞杆，实际使用6 个月，观察活塞杆表面状态，验证超音速火焰喷涂工艺优化改进后的外场耐蚀能力。外场验证试验结果见表3。

表3 改进后活塞杆外场使用效果

验证结果表明：8 件改进后活塞杆经6 个月外场考核后，涂层外观良好，无鼓包、脱落现象。

2 结论

经过试验验证可得出以下结论：

（1） 改进方案耐腐蚀性能改善明显，H2 组（180～200 μm +二次封孔涂层）酸性盐雾、海水飞溅耐蚀性均远高于B1 组（100～120 μm +一次封孔涂层），其中酸性盐雾耐蚀性至少相当于B1 组的3.8倍，海水飞溅耐蚀性至少相当于B1 组的11 倍。

（2） 酸性盐雾、海水飞溅两种测试条件下，H2组表面出现黑色锈蚀后，锈蚀扩展速度均比较缓慢，涂层锈蚀扩散至基体锈蚀周期很长。

（3） 外场实物验证效果表明，采用改进后方案制备的活塞杆在外场使用效果良好，满足某产品东海、南海工况下活塞杆表面防护要求。