铝合金部件HVOF替代爆炸喷涂的可行性分析
贾 鹏,王志平,李亚娟
轻合金加工技术
铝合金密度小、比强度高、耐蚀性和成形性好、成本低[1],但是耐磨性较差限制其在航空航天耐磨部件的应用[2-3],欧美等国主要采用爆炸喷涂在铝合金部件表面沉积一层金属陶瓷涂层,以提高其耐磨性,目前我国爆炸喷涂装备及技术水平与欧美国家的相比存在较大差距,制备的涂层不能满足使用要求。
超音速火焰喷涂(HVOF)制备的金属陶瓷涂层结合强度、密度非常高,有着广阔的应用前景[ 4 -8 ]。本文综合比较两种喷涂工艺的技术特点及涂层性能,对超音速火焰喷涂作为爆炸喷涂的替代技术在铝合金部件上制备耐磨涂层的可行性进行分析。
摘要:提出采用超音速火焰喷涂(HVOF)作为爆炸喷涂的替代技术在铝合金基体上制备金属陶瓷涂层,通过对比两种工艺的技术特点,指出超音速火焰喷涂制备的金属陶瓷涂层性能已经达到爆炸喷涂的水平,在设备的喷涂效率及可操作性方面优于爆炸喷涂的,但是在降低高温焰流对基体的热效应以及针对铝合金基体/涂层界面的形成机制等方面还有很多工作要做。
关键词:超音速火焰喷涂;爆炸喷涂;金属陶瓷涂层;铝合金;可行性分析
1 爆炸喷涂和HVOF发展现状
1. 1 爆炸喷涂的发展现状
爆炸喷涂利用可燃气体爆炸产生的爆轰波对喷涂粒子加热加速并沉积在基体表面形成涂层。与其他技术相比,爆炸喷涂涂层的结合强度和硬度高,耐磨性好,孔隙率低,是公认的当前热喷涂领域内最高的技术,主要用于航空、航天、核工业、国防工业等高附加值部件耐磨涂层的生产[ 9 -13 ]。由于该技术危险性高于其他热喷涂方法的,设备及工艺研发难度大,目前仅美国和前苏联开发出商品化的爆炸喷涂装置[14 ]。
美国联合碳化物公司研发的爆炸喷涂设备(det-onation gun,简称D-gun)控制系统采用多凸轮阀门机构,其最新型号Super D-gun的喷涂频率已超过100枪/s[14 ],获得的涂层性能非常优良,但该公司不发表相关论文,也不出售技术和设备,只在公司内为用户提供涂层制备服务。联合碳化物公司解体后,继承该技术的Praxair公司仍然实施严格的保密措施。前苏联乌克兰科学院材料研究所和焊接研究所研发的爆炸喷涂设备,定型为“第聂泊”型和“捷米顿”型。“第聂泊”型控制系统采用效率低的步进气缸机构,爆炸频率仅为1枪/s~10枪/s,涂层性能一般;“捷米顿”型是“第聂泊”型的简化版,不能喷涂钴含量高的金属陶瓷,且涂层质量不及“第聂泊”型的[14 ]。
我国1983年由北京航空材料研究院研制出具有独立知识产权的爆炸喷涂设备,该设备性能较低,制备的涂层未达到美国D-gun的技术水平,未得到推广应用。目前我国高端制品的耐磨涂层主要采用乌克兰生产的“第聂泊”型系统制备,而对于性能要求极高的耐磨涂层,尤其是应用于航空器制造及维修领域的金属陶瓷涂层,需将部件送到美国Praxair公司加工,高昂的加工费用和漫长的加工周期严重制约了我国装备制造及维修工业的发展。
1. 2 HVOF的发展现状
超音速火焰喷涂是1982年BrowningEngineeringCo.发明的一种热喷涂技术,该技术采用火箭发动机的原理,即利用在燃烧室或特殊喷嘴中燃烧产生高温高压燃气,将粉末送进火焰中产生熔化或半熔化的粒子,高速撞击在基体表面上沉积形成涂层[15 ]。超音速火焰喷涂系统至今已经开发了三代,第一代以“JET-KOTE”为代表,第二代以Top-Gun、Dia-mond-Jet和CDS为代表,第三代以JP5000/8000喷涂系统为代表。第一、二代设备功率偏小,燃烧室压力只有0. 20MPa~0. 45MPa,喷涂粒子的飞行速度偏低,普遍采用的轴向送粉方式造成喷涂粉末在高温区暴露时间过长,涂层结合强度偏低,孔隙率、碳化物分解率偏高,涂层整体性能不够理想;第三代超音速火焰喷涂系统JP5000/8000采用航空煤油作为燃料,可以获得更高的燃烧室压力(燃烧室压力最高可达0. 9 MPa),并将传统的轴向送粉改为径向送粉,制备的涂层性能优良,质量稳定,喷涂工艺宽泛,很快进入要求十分苛刻的航空器制造及维修领域[16-17]。
我国在超音速火焰喷涂领域进行了大量的研究工作,已取得一系列研究成果,沈阳工业大学、哈尔滨焊接研究所、装甲兵工程学院等单位已研制出性能与JP5000/8000相当的超音速火焰喷涂设备。
2 涂层性能的比较
将JP5000/8000的喷涂工艺参数与爆炸喷涂的进行对比,如表1所示。决定超音速火焰喷涂涂层质量的基本原则是[18 ]:高的燃烧室压力→高的焰流速度→高的粒子飞行速度→高的涂层质量。JP5000/8000喷涂系统恰好符合上述原则,它有目前最高的燃烧室压力(0. 9MPa),其喷涂粒子飞行速度高达600 m/s~760 m/s;有报道称, JP5000/8000枪管内的焰流速度是其他HVOF喷涂系统的两倍,喷涂粒子最高速度可以达到1100 m/s~1200 m/s,已经与爆炸喷涂工艺相差无几[ 19 ]。由表1还可以看出, JP5000/8000的喷涂焰流温度较低,仅为3100℃,因此喷涂粒子的温度低于爆炸喷涂的,降低了喷涂粒子的氧化分解,这一点对金属陶瓷涂层至关重要。以WC涂层为例,WC粒子在高温下发生以下分解反应[20-21]:
2WC+Q=W2C+C (1)
2WC+12O2+Q=W2C+CO (2）
W2C+12O2+Q=2W+CO (3)
因此,较低的粒子温度可以获得更高的WC保留率,提高涂层的耐磨性和使用寿命。将JP5000/8000与爆炸喷涂制备的WC-12Co的涂层性能进行比较(如表2所示),可以看出: JP5000/8000制备的涂层WC分解率、硬度、结合强度、孔隙率等技术指标远远优于等离子喷涂和火焰喷涂的,已经达到爆炸喷涂的水平。
M.Barletta等人[22 ]采用HVOF在6082-T6铝合金基体上制备金属陶瓷涂层进行摩擦磨损实验,结果证明该涂层具备优良的耐磨性,M.Magnani等人[23 ]在7050-T7铝合金基体上进行类似实验也证明了这一点。
3 HVOF的技术优势
与爆炸喷涂相比, JP5000/8000技术具有下列优势。
(1)送粉效率高
JP5000/8000利用超音速火焰离开喉部时产生的负压区径向送粉,可以实现多点送粉,使火焰中的粉末更加均匀,提高加热效率,喷涂枪单位能量的喷涂效率更高。由表1可知, JP5000/8000的送粉效率是爆炸喷涂的4~8倍,提高制备涂层的工作效率。
(2)设备通用性好
爆炸喷涂枪体积和重量偏大,不适合安装在机械手上,喷涂复杂表面的工件存在困难;而超音速火焰喷涂系统普遍采用控制柜控制喷涂枪的工作,降低了喷涂枪的体积和重量,可以安装在通用机械手上实现自动喷涂,也可以采用手持方式进行喷涂,能够喷涂复杂表面的工件。
(3)对人员的操作技巧要求不高
爆炸喷涂属于脉冲式喷涂工艺,喷涂过程中要求试件与喷涂枪之间必须保持严格的脉冲式相对运动,喷涂参数的轻微偏差即可导致喷涂形成的圆斑搭接状况不理想,产生大量空隙[24 ],对人员的操作技巧和工艺的制定提出了极为苛刻的要求。而超音速火焰喷涂以连续的喷涂焰流推动粒子飞行并沉积在基体表面形成涂层,试件与喷涂枪之间保持连续的相对运动,降低了对喷涂工艺操作及设备的要求。
4 HVOF技术目前存在的问题
现阶段超音速火焰喷涂的基体材料主要是铁基合金,相关研究主要集中在涂层性能的测试与分析,对于铝合金基体/涂层的界面研究较少。
(1)超音速火焰喷涂对基体的加热作用强烈。爆炸喷涂是脉冲式喷涂技术,热气流对基体作用时间短,实际生产中铝合金部件的温升低于200℃,不会造成回火软化和热变形,残余热应力较小;而HVOF是连续型喷涂技术,焰流能量极为集中,造成喷涂过程中基体的温升现象十分严重,容易导致铝合金部件因过热产生严重的变形及热损伤。因此,解决铝合金部件的冷却问题是能否用HVOF替代爆炸喷涂的技术关键。
(2)超音速火焰喷涂对基体表面的热冲击作用强烈。连续喷涂过程中,铝合金部件表面在喷涂焰流热冲击作用下生成一层割裂基体与涂层的氧化膜,降低基体/涂层的界面结合强度;另一方面,铝合金基体表层组织与前处理工艺形成的表层组织结构及应力状态受热冲击作用发生改变,进而改变界面结构与应力状态,增大裂纹产生并扩展的几率,造成涂层的使用性能下降。而爆炸喷涂热气流对基体的作用时间短(每次受热气流冲击的时间只有几毫秒),不会造成基体表层组织结构及应力状态的明显改变;粒子飞行速度极高,喷涂过程中可轻易地将铝合金表面氧化膜去除,露出新鲜、活泼的基体金属,使涂层的力学性能非常优良[25 ]。超音速火焰喷涂焰流对铝合金部件的热冲击作用强烈,因此,控制界面结构和应力状态及喷涂过程中铝合金基体界面氧化膜的生长,是HVOF替代爆炸喷涂必须解决的技术问题。
4 结束语
我国目前由于热喷涂装备和技术相对比较落后,高端铝合金部件耐磨涂层的生产一直处于较低的水平,在爆炸喷涂领域,尤其是应用于航空器制造及维修领域的高质量金属陶瓷涂层至今没有掌握核心技术,对我国的装备制造及维修产生不利影响。近几年来随着超音速火焰喷涂技术相关研究的兴起,尤其是JP5000/8000系统的大量引进,使我国高质量金属陶瓷涂层的制备技术有了很大提高,在铁基材料上制备金属陶瓷涂层的技术已经成熟,成为爆炸喷涂的首选替代工艺;而HVOF在铝合金基体上应用的相关研究较少,尤其是针对高温焰流对铝合金基体的热效应以及涂层/基体界面的形成机制还有很多研究工作要做。
图略
参考文献略
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