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超音速火焰喷涂WC涂层替代电镀硬铬:疲劳和摩擦磨损性能

时间:2013-04-08 11:49:50  来源:中国工程科学  作者:周克崧,邓春明,刘 敏

  [摘要] 以WC涂层在飞机起落架的应用作为研究背景,对300M超高强钢基体上电镀硬铬和超音速火焰喷涂WC-17Co和WC-10Co4Cr涂层的疲劳及与Al—Ni—Bronze合金的摩擦磨损性能进行了研究。结果表明,有WC涂层300M钢的疲劳寿命与无涂层300 M钢的疲劳极限和过载下的疲劳寿命相当,WC涂层对300M钢的疲劳寿命不会产生不良影响;而电镀硬铬使300 M钢的疲劳极限降低120 MPa,疲劳寿命则降低70% ~90%。疲劳失效分析表明, WC涂层中的疲劳裂纹在界面上发生偏斜,转向沿界面扩展,因此对基体的疲劳寿命没有影响;而电镀硬铬中的的疲劳裂纹扩展到基体表面,显著降低基体的疲劳寿命。10#航空液压油润滑下涂层与Al—Ni—Bronze合金的摩擦磨损表明,与电镀硬铬对磨时,Al—Ni—Bronze合金发生明显的磨损,同时因质量转移而导致电镀硬铬的质量显著增加;而WC涂层仅略有失重,相应地Al—Ni—Bronze合金的失重仅为与电镀硬铬层磨损失重的1/50~1/100。WC涂层与Al—Ni—Bronze合金的磨损机理主要为磨粒磨损;电镀硬铬与Al—Ni—Bronze合金的磨损机理主要为黏着磨损。
  [关键词] 300M钢;超音速火焰喷涂;WC涂层;电镀硬铬;疲劳;摩擦磨损
  
  1 前言
  飞机起落架采用超高强钢作为结构材料,其在使用过程中承受较严重的摩擦磨损和腐蚀,需对基体进行表面处理。传统的起落架表面防护是采用电镀硬铬。电镀硬铬工艺制备简单,成本低,但该镀层一方面带来严重的环境污染,另一方面给基体的机械性能带来显著的负面影响,最典型的是疲劳性能[1]。因此各国都相继开发各种工艺替代电镀硬铬,这些工艺包括钨基非晶态合金镀、离子束注入技术和超音速火焰喷涂等[2~4]。超音速火焰喷涂由于可以在大面积基体上快速地沉积硬度较高的耐磨耐蚀涂层,从而被认为是最有可能替代电镀硬铬的工艺。
  目前国外主要评价了氧气助燃超音速火焰(high velocity oxygen fue,lHVOF)WC涂层替代电镀硬铬的综合性,包括涂层对基体疲劳性能的影响、涂层的摩擦磨损和韧性等[5~7]。根据试验结果,一些航空公司和航空军工单位已经在飞机起落架中有应用或者用该涂层进行修复。如波音767-400飞机起落架现在已经采用了HVOFWC-CoCr涂层替代硬铬镀层;而且现在的维修指南允许用HVOFWC-Co和WC-CoCr涂层修复飞机起落架中原来镀铬的部件。目前美国军方的飞机,包括F216, C25,E22C,P23,C2130飞机以及F235联合战斗机上的起落架和其他一些部件都将考虑使用HVOFWC涂层替代电镀硬铬层。
  空气助燃超音速火焰喷涂(high velocity air fue,lHVAF)具有火焰温度更低,粒子速度更高的特点,目前有关超音速火焰喷涂WC涂层的性能对起落架超高强钢疲劳性能的研究不多。起落架涂层与Al—Ni—Bronze合金需要有较好的密封性能,在长时间摩擦磨损过程中容易因磨损而使起落架发生漏油,影响起落架使用安全性能。WC-Co是常用的WC系涂层材料,具有良好的韧性,但抗盐雾腐蚀性能较差;WC-CoCr是在WC-Co上发展起来的,其特点是具有良好的抗腐蚀性能[8]。
  文章主要研究了空气助燃超音速火焰喷涂WC-17Co,WC-10Co4Cr涂层和电镀硬铬层对300 M超高强钢疲劳性能的影响;根据起落架摩擦副,对涂(镀)层与Al—Ni—Bronze合金的摩擦磨损性能进行了对比研究,为空气助燃超音速火焰喷涂WC涂层替代电镀硬铬涂层提供理论支持。
  2 试验方法与表征
  2. 1 涂层制备
  将尺寸为25 mm×150 mm和50 mm×100 mm的300 M钢棒加工成漏斗形疲劳试样和环状摩擦磨损试样,前者疲劳断裂区的直径为6 mm,后者尺寸为45 mm×10 mm。加工后的试样均进行喷丸处理。粉末材料分别为WC-17Co和WC-10Co4Cr,其制备工艺均为团聚、烧结,粒径范围均为5~30μm。将疲劳试样进行超声除油、采用刚玉砂进行喷砂,然后再进行超声处理,以除掉基体表面镶嵌的砂粒。试样表面线速度控制在60 m/min,采用Unique Coat超音速火焰喷涂系统进行喷涂。喷涂工艺参数为:主燃气丙烯压力0. 54 MPa,次燃气丙烯压力0. 40MPa,空气压力0. 59MPa,喷距0. 15 m,涂层厚度100μm左右。将经喷丸处理的300M钢基体按照Q/11AJ05119-2001标准对电镀硬铬,电镀后于真空炉中190℃保温4 h除氢。加工后镀层的厚度为40~80μm左右。将涂(镀)层用金刚石砂带抛光至Ra0. 2μm以下,以进行疲劳和摩擦磨损性能测试。
  2. 2 涂层表征
  将抛光处理后的样品在AMSLER-5100型疲劳试验机上进行疲劳测试,在室温空气环境下轴向加载,其中应力比R=-1,加载频率为133Hz,指定疲劳无限寿命为107周次。按照HB5287-96标准,采用四级升降法测试疲劳试样的疲劳极限。采用成组法测量试样在过载下的疲劳寿命,疲劳过载分别为840, 930, 1 020, 12 00MPa。采用JL SM5910扫描电镜对疲劳试样的断口进行显微分析。
  测试有涂层300 M钢环和Al—Ni—Bronze合金块的摩擦磨损性能。将Al—Ni—Bronze合金线切割成尺寸为13 mm×10 mm×7 mm,抛光到0. 2μm以下。采用M200摩擦磨损设备,在10#航空液压油润滑下分别以42. 1, 127. 4, 279. 3 N载荷将Al—Ni—Bronze合金与有涂层的300 M钢进行摩擦磨损测试,环线速度为0. 52 m/s;采用精度为0. 1 mg的分析天平测量环和块磨损前后的重量。每种条件均重复3次,结果取平均值。采用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机(盘销式)测量10#航空液压油润滑下涂层与Al—Ni—Bronze合金的摩擦系数,其中有涂层的300 M钢为销,Al—Ni—Bronze合金为盘。采用JL SM5910扫描电镜对摩擦磨损试样的剖面进行显微分析。
  3 结果与讨论
  3. 1 疲劳极限
  图1为300 M钢和有涂(镀)层300 M钢的疲劳极限升降曲线。由图1可知,有两种WC涂层的300M钢的疲劳极限升降曲线非常相近,均略高于300M钢。而电镀硬铬的疲劳极限显著低于基体和4种条件下材料的标准差、变异系数Cv和不同存活率下的疲劳极限。除电镀硬铬外,另3种条件下的标准差和变异系数系数都非常接近,表明电镀硬铬层具有较窄的疲劳寿命分散性。在不同的存活率下,电镀硬铬层均比其他种条件的疲劳极限低120MPa左右,有WC涂层300 M钢的疲劳极限最高。但如考虑WC涂层承受载荷,则有WC涂层的300M钢与原基体的疲劳极限基本相同。
  3. 2 过载下的疲劳寿命
  图2为300 M钢和有涂(镀)层300 M钢过载下的S-LgNf单对数曲线疲劳寿命对比。从图2可知,有电镀硬铬层300M钢的疲劳寿命明显低于其他3种条件的疲劳寿命,有WC涂层的300M钢两者的疲劳寿命相近,均明显高于300M钢基体的疲劳寿命。同样考虑到涂层承受应力,因此应扣除涂层面积所承受的应力才能评价涂层对基体疲劳性能的影响。图3为几种条件下有涂(镀)层300 M钢与300 M钢基体的疲劳寿命对比。电镀硬铬使300M钢的疲劳寿命降低70% ~90%左右,而WC涂层的疲劳寿命为300 M钢的125 % ~250 %左右,如考虑涂层承受载荷下,则有WC涂层的300M钢为无涂层300 M钢疲劳寿命的80 % ~125 %。有WC-17Co涂层比有WC-10Co4Cr涂层300 M钢的疲劳寿命略高,这是由于在喷砂处理过程中喷砂工艺不当,使部分细小砂粒镶嵌在300M钢基体表面,在疲劳过程中造成镶嵌处应力集中,形成疲劳主裂纹源,降低基体的疲劳寿命[9]。但如排除喷砂的影响,综合考虑,WC涂层对300M钢基体的疲劳寿命没有明显的负面影响;而电镀硬铬降低了70%~90%的300M钢疲劳寿命。
  3. 3 疲劳失效分析
  材料的裂纹源主要有3种,分别为材料内部夹杂、材料表面损伤和材料表面的夹杂。但对于有涂层300M钢除了上述3种典型的疲劳裂纹源外,还有喷砂镶嵌在基体表面的刚玉颗粒裂纹源。表2为4种条件下疲劳试样总数超过35个的疲劳主裂纹源统计结果。从表2可知, 4种条件下的疲劳主裂纹源均主要为基体内部的氧化物夹杂。而原基体和有WC-10Co4Cr涂层300 M钢则有一定比例的裂纹源自300M钢表面的夹杂(喷砂或者基体表面夹杂)或表面损伤。正是喷砂镶嵌在基体表面使基体的疲劳寿命显著降低,从而导致WC-10Co4Cr涂层比WC-17Co涂层300M钢的疲劳寿命低。
  图4为有WC涂层和电镀硬铬层300M钢的典型疲劳断口。对比表明,后者除了有疲劳主裂纹源外,还发现镀层中的疲劳裂纹扩展到基体中,使300M钢表面形成次裂纹源。而有WC涂层300 M钢仅在基体内部有疲劳裂纹源。图5为疲劳断裂后疲劳试样的剖面形貌,由于硬铬镀层中的疲劳裂纹扩展到基体表面,促进了基体中疲劳裂纹的扩展,导致硬铬镀层显著降低基体的疲劳寿命;而WC涂层中的疲劳裂纹在界面处偏向沿界面扩展与否,对基体的疲劳寿命没有不良影响。这和前面得到的几种条件下材料的疲劳寿命对比结论一致。
  3. 4 摩擦磨损性能
  3. 4. 1 磨损量
  载荷下3种涂层与Al—Ni—Bronze合金的磨损量如表3所示。由表3可知,在相同的载荷下,Al-Ni—Bronze合金与电镀硬铬对磨时,其磨损量远高于与WC-17Co和WC-10Co4Cr涂层对磨的磨损量;而且电镀硬铬的质量明显增加,表明电镀硬铬造成Al—Ni—Bronze合金严重磨损的同时,Al—Ni—Bronze合金向电镀硬铬质量转移。3种载荷下WC-17Co比WC-10Co4Cr涂层的磨损量略高,其对磨材料Al—Ni—Bronze合金的磨损量均相近。
  在279. 3 N载荷下,观察到电镀硬铬和Al—Ni—Bronze合金摩擦副中因摩擦生热而导致试样出现明显的温升;而在该载荷下,WC涂层与Al—Ni—Bronze合金摩擦副没有明显的温升。这可能与涂层和Al—Ni—Bronze合金的摩擦系数和接触面积有关。10#航空液压油润滑下涂层与Al—Ni—Bronze合金的摩擦系数如图6所示。电镀硬铬与Al—Ni—Bronze合金的摩擦系数为0.137~0. 14,高于WC/17Co和WC/10Co4Cr涂层与Al—Ni—Bronze合金的摩擦系数,前者为0. 112~0. 115,后者为0. 105~0. 107。电镀硬铬较低的硬度和与Al—Ni—Bronze合金较高的摩擦系数使摩擦副温度升高。
  3. 4. 2 摩擦磨损机理分析
  涂层和Al—Ni—Bronze合金摩擦副的磨痕形貌如图7所示。WC涂层的磨痕中存在较浅的划痕,而在Al—Ni—Bronze合金的磨痕表面发现有大量粒径小于1μm的白色颗粒,如图中白箭头所示,这些白色颗粒为WC硬质颗粒。WC涂层磨损的WC磨粒镶嵌在Al—Ni—Bronze合金表面上,减轻了Al—Ni—Bronze合金的磨损;同时造成WC涂层的磨损。由于Al—Ni—Bronze合金中WC颗粒小于原始WC涂层中WC粒径(约1~3μm),表明铜合金磨痕中的WC颗粒是磨损后形成的,说明WC涂层与Al—Ni—Bronze合金为典型的磨粒磨损。在电镀硬铬和Al—Ni—Bronze合金的磨痕中都观察到明显的“犁沟”,并且在Al—Ni—Bronze合金的磨痕中没有发现铬存在,这表明硬铬没有转移到Al—Ni—Bronze合金中。图7 (e)和7 ( f)对比,前者Al—Ni—Bronze合金的磨痕剖面形貌平整;而后者存在大量的凹坑,表明硬铬层在与其磨损过程中,使发生黏着磨损。图8为Al—Ni—Bronze合金与电镀硬铬磨损后在前者磨痕处形成的附着物(白色箭头所示),能谱分析表明,该附着层为磨损后重新附着在磨痕上的Al—Ni—Bronze合金,这表明Al—Ni—Bronze合金与电镀硬铬发生黏着磨损,使Al—Ni—Bronze合金发生严重的磨损。因此,WC涂层和电镀硬铬与Al—Ni—Bronze合金的磨损机理分别为磨粒磨损和黏着磨损,铜合金与WC涂层的磨损量为与电镀硬铬磨损量的1/50~1/100。
  参考文献略

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