摘 要:通过对超声速热喷涂工艺过程的论述，介绍了在某型航空发动机的零件封严齿上喷涂Al2O3陶瓷涂层的工艺方法，以及涂层金相试样的制备和涂层评定方法。
关键词：超声速热喷涂；陶瓷涂层；金相评定
0 引言
某型航空发动机低压涡轮封严环组件安装在发动机空心长轴大端，是发动机上高速旋转的敏感零件，工作转速在10000r/min 以上。空心长轴的小端与压气机转子连接；封严环与涡轮盘、轴承座、衬套等多个零件构成涡轮转子。设计要求在封严环的六个封严齿尖和齿侧面超声速热喷涂Al2O3陶瓷涂层。A l2O3陶瓷涂层是一种硬度在HV1040～1300的硬质耐磨涂层，待喷涂表面属于封严篦齿结构，在齿尖宽度仅为0.19mm的封严篦齿上要使涂层具有良好的结合力和致密性，是常规热喷涂工艺中的一个技术难题。该零件需喷涂涂层的径向封严齿到外部安装边轴向距离小于2mm，受外部安装边的遮挡，齿侧的喷涂角度几乎达不到200，这对于确保涂层与金属基体的结合力来说有较大困难。同时，超声速喷涂还存在零件的防护和冷却问题。超声速喷涂粒子撞击工件的速度达980m/s，高速高温的粒子将大量的热量带到工件和防护工装上，在等离子喷涂中使用的防护效果较好的橡胶等一般的防护材料难以抵御这样的高温和冲击力；热量如果不能及时散掉，将在涂层表面积聚而使零件局部过热，造成涂层结合力降低甚至脱落。为解决上述难题，进行了专题试验研究，对 Al2O3陶瓷涂层超声速喷涂参数进行优化组合，获得了良好效果。
1超声速喷涂的原理及特点
1.1 超声速火焰喷涂的原理
因喷涂的火焰和粉末到达工件表面的速度超过声速，超声速喷涂（HVOF）具有涂层与基体结合力高的突出优点，其基本原理是利用高能燃料与氧气在燃烧室内混合、点燃，形成高压、高温燃气流，通过收扩喷口加速至超过音速，引射并携带加温熔融金属粉末冲击工件表面，沉积形成一种致密的优质涂层。所用燃料一般有煤油、氢气、丙烯、丙烷、乙炔、甲基乙炔、天然气等。本工艺使用的燃料为氢气，所用设备保持在一定压力下点燃氢氧混合气体实现连续燃烧膨胀加速，产生高达2800℃以上温度的超声速高能气流。
1.2 超声速喷涂的特点
与常规的火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等相比，超声速喷涂具有以下特点：
1） 由于火焰流速及喷涂粒子速度非常高，使制备的涂层很致密，涂层与基体有很强的结合力。
2） 喷涂粉末颗粒与周围大气接触时间短，粉末粒子飞行速度高，元素烧损少。
3） 涂层表面光滑。由于超声速喷涂的粉末属于细粉度粉末，喷涂粒子速度高，熔融充分，形成涂层时变形充分，使得涂层表面粗糙度小。
2 工艺过程
2.1 喷涂要求
零件的喷涂区域位置如图1所示，在接近安装边的六个封严齿表面喷涂厚度0.05～0.10mm的氧化铝涂层，没有过喷区域；要求喷涂后得到的涂层在齿尖的孔隙率小于1%，齿尖的微观硬度达到HV0.31040～1300，宏观硬度不小于HR15N 90。
2.2 喷涂设备及工艺参数
喷涂设备为4100型超声速喷涂设备，包括喷枪、机械手、送粉器等。在正式喷涂工件前的一定时间内，按照固化的工艺参数喷涂试件并按验收标准检验各项性能，合格后才能正式开始喷涂工件。验收试样包括结合强度试样、宏观及微观硬度试样和金相试样，通过结合强度拉伸试验、宏观及微观硬度检查和高倍金相照片检查对涂层进行评估，确定最终喷涂的工艺参数。具体喷涂设备和优化的工艺参数见表1。
零件实施喷涂前必须对喷涂表面进行清理和粗化，采用80目的白刚玉砂在三轴机械手自动吹砂机中吹砂，吹砂压力为0.29～0.35MPa，吹砂距离为90～110mm，吹砂后零件表面的粗糙度可以达到Ra1.9μm。
为防止零件过热，在零件外部采用两组单独的压缩空气喷嘴进行冷却，在零件内部使用一组冷却喷嘴进行内腔冷却，过程温度可以控制在290℃以下。
2.3 金相试样的制备
涂层验收用金相试样是在微观状态下检查喷涂涂层内部质量的重要试验件，其制备参数很重要。首先对喷涂完的金相试验进行切割，暴露涂层断面。采用0.76mm厚的SiC砂轮片对试样进行切割，尽量少地去除涂层材料。再用专业设备依次对其进行研磨、抛光，Al2O3属于硬而脆的陶瓷涂层，其抛光参数与其他类型涂层使用的有所不同。表2为涂层试样研磨的具体参数，研磨用砂纸从120号到2500号依次提高，以便提升研磨表面的光洁度。表3为涂层试样抛光参数。
2.4 涂层评定结果
按照涂层的技术要求，对涂层进行了宏观和微观结构分析，评定结果分别如表4～6所示。表4为涂层的宏观检查结果，表5为涂层的微观检查结果，表6为涂层的宏观及微观硬度检查结果。图2为平板涂层试样制成的100倍、200倍以及封严齿涂层试样制成的50倍、500倍金相试样照片。以上试样均符合喷涂验收标准文件CME5033/2/E1和E3的技术要求。
3 结论
针对要求喷涂特种功能涂层的特殊结构航空封严篦齿喷涂工艺难题，通过对超声速喷涂设备和工艺参数的试验研究，满足了此部件Al2O3涂层验收技术要求。
参考文献略
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
