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超音速火焰喷涂替代镀铬技术修复导轨研究和应用

时间:2013-10-19 09:18:32  来源:长沙航空职业技术学院学报  作者:唐 斌,谢道秀

  摘要: 与等离子喷涂层和电镀硬铬层相比,超音速火焰喷涂( HVOF) 层具有结合强度高、致密、耐磨损性能优越等特点。针对某型飞机燃油接收探管外筒导轨铬层损伤剥落这一多发性故障,采用超音速火焰喷涂替代镀铬修复,对该导轨损伤进行可行性研究和验证、模拟试验、样件验证、装机监控使用,显现出超音速火焰喷涂层优越的性能。
  关键词: 超音速火焰喷涂; 损伤; 涂层
  
  1 问题的提出
  燃油接收探管 XX. 6160. 5. 130. 000 用于某型飞机空中加油,由于其特定结构及工作特性,有多个重要构件在大修时出现严重损伤,其中外筒导轨损伤故障率在 2011 年度高达 65%,给某型飞机大修带来阻碍,其损伤形貌见图 1。
  从图 1 可以看出,燃油接受探管外筒 XX.6160. 1. 068. 900 两个导轨相对应一侧有严重磨损; 与导轨配合的活塞杆 XX. 6160. 1. 009. 900 导槽也有相应磨损,参见图 2; 外筒 XX. 6160. 1. 068.900 两个导轨磨损部位为镀铬表面,磨损部位铬层剥落,其表面磨伤深度最大达 0. 3 mm。
  由燃油接受探管的工作原理和工件特点分析认为: 燃油接受探管收放工作时,活塞杆 XX. 6160.1. 009. 900 导槽沿外筒 XX. 6160. 1. 068. 900 导轨移动,由于硬而脆的铬层与基体材料变形不一致,在导轨 - 导槽之间相互移动和扭曲力的作用下,导轨和导槽单面接触,导致受力严重的局部铬层龟裂剥落,并成为多余物存在于导轨 - 导槽之间,由此加剧了磨损和损伤,这种损伤是由于其原设计结构及镀铬层的自身特性决定的,因而出现损伤是必然的。
  文章探索采用超音速火焰喷涂技术替代镀铬进行外筒 XX. 6160. 1. 068. 900 导轨损伤修复,为此进行论证、验证和分析,力求用现代工艺技术克服原设计制造的不足。超音速火焰喷涂与传统的火焰喷涂相比,其焰流速可达 1000m/s 以上,超音速喷涂粒子可以获得更大的动能,所形成的涂层更致密,氧化物含量更低,同时涂层与基体结合强度达70 MPa 以上,涂层耐磨损性能优越,大幅度超过等离子喷涂层,明显优于电镀硬铬层,实践表明具有替代镀铬层的优势。[1 -3]
  2 试验论证
  2. 1 制造摩擦试件进行相关的工艺验证和实验按活塞杆 XX. 6160. 1. 009. 900 的国产化材料( 0Cr15Ni5Cu2Ti) 和热处理要求 ( σb = 1225 ~1375MPa) 预先制造磨轮试样 3 件,见图 3; 其中 1件用于化学镀镍、1 件为外径表面镀铬、1 件为电刷镀纳米镍钴合金。按外筒 XX. 6160. 1. 068. 900 的国产化材料( 30CrMnSiA) 和热处理要求( σb =1080~ 1275MPa) 预先制造磨盘试样 3 件,见图 4; 其中2 件用于外径表面超音速火焰喷涂 WC17Co、1 件为原基材。用于形成不同状态的摩擦副,进行耐磨性试验,通过对比试验结果,验证加工效果及不同表面状态的匹配性,得到优选新工艺的依据。
  2. 2 试验过程及结论
  2. 2. 1 耐磨性能对比试验
  ( 1) 试验总体情况
  用超音速火焰喷涂 WC17Co 磨盘与化学镀镍磨轮构成摩擦副 1、超音速火焰喷涂 WC17Co 磨盘与电刷镀纳米镍钴合金磨轮构成摩擦副 2、原基材磨盘与外表面镀铬磨轮构成摩擦副 3,对各摩擦副进行耐磨性对比,验证超音速火焰喷涂 WC17Co 的可靠性与不同表面状态下的耐磨性。[4]
  试验设备: TABER 磨损机。
  试验条件: 试验载荷 1000g,试验转速 70r/min,转数10000r。
  ( 2) 试验小结
  从表 1 可以看出,在试验载荷 1000 g,试验转速 70 r/min,转数 10000 r 的试验条件下,基材( 表面无涂层) 试件的磨损量为 0. 0560g,化学镀镍试件的磨损量为 0. 0001g,基材试件的磨损量高于化学镀镍 560 倍,可见超音速火焰喷涂 WC17Co 磨盘与化学镀镍构成的摩擦副耐磨状态最优; 镀铬试件的磨损量为 0. 0071g,超音速火焰喷涂 WC17Co 试件的磨损量为 0. 0006g,镀铬摩擦副磨损量高于超音速火焰喷涂 11. 8 倍,可见超音速火焰喷涂WC17Co 耐磨性大大高于镀铬件。
  2. 2. 2 涂层性能试验
  ( 1) 金相
  涂层典型微观形貌见图 5,氧化物均匀分布,无未熔颗粒,涂层与基体结合面夹杂的面积不大于视场的 10%,碳化物分布均匀,无带状或团状分布; 截面无裂纹; 涂层气孔和氧化物的大小小于视场的 1%,符合 ZXJG - BZ05 - 1 - 2011 检验规程。[5]
  ( 2) 弯曲性能
  用 2 块厚 1mm 弯曲试样,超音速火焰喷涂厚度 60μm 的 WC17Co,涂层向外,将试样绕直径为12. 8mm 的金属棒弯曲成 180°角,弯曲部位未出现涂层剥落或与基体的分离。涂层有细微裂纹,边角少量剥落,弯曲性能合格。
  ( 3) 结合强度
  涂层结合强度见表 2,在大于 85 MPa( 规定68. 9 MPa) 时,拉伸试样间胶层脱开,而喷涂层结合良好,无任何剥离现象,涂层结合强度合格。
  ( 4) 显微硬度
  试样1 和试样2 各取10 个测试点,测试结果见表3,最小值不小于 1041HV300( 规定 950HV300) ,显微硬度合格。
  ( 5) 试验小结
  从以上试验可以看出,超音速火焰喷涂WC17Co 涂层金相组织均匀、结合强度较高,显微硬度高于镀铬层300HV300以上,具有较高的硬度和韧性。
  3 应用实践
  3. 1 外筒导轨镀铬层损伤修复
  在前期充分进行工艺试验和验证基础上,对外筒 XX. 6160. 1. 068. 900 导轨镀铬层损伤进行超音速火焰喷涂 WC17Co 替代镀铬应用,基本实施工艺如下:
  1) 采用平面磨的方法( 或喷砂方法) ,清除外筒 XX. 6160. 1. 068. 900 导轨的磨损层,以消除磨损部位的疲劳层。
  2) 对磨损部位采用超音速火焰喷涂 WC17Co进行修复,修复层至少留出 0. 3mm 的加工余量。
  3) 采用平面磨方式并配套以专用夹具,用金刚石砂轮对外筒 XX. 6160. 1. 068. 900 导轨进行尺寸加工,保证尺寸及导轨对外筒轴线的位置精度。
  3. 2 对应配合部位适配性
  1) 对于采用超音速火焰喷涂钨铬钴替代镀铬的民航飞机起落架活塞杆,其对应的摩擦件材料设计为不锈钢或铝青铜,其材料具有韧性和耐磨性较好的特点,实践证明它与硬度高、韧性好的钨铬钴涂层构成摩擦副具有较好的耐磨性。
  2) 与超音速火焰喷涂 WC17Co 涂层导轨对应配合的活塞杆材料为 0Cr15Ni5Cu2Ti,由本小节 1)可知,二者构成的摩擦副具有良好的适配性,因此对导槽磨损表面进行抛光去毛刺处理,导槽口部应倒园角不小于 1mm,圆角过渡应光滑。
  3) 在导槽工作面上涂干性润滑膜 10μm ~20μm,润滑膜加温处理后成分可渗入材料近表面,具有良好的干性润滑作用,能减少微震动磨损。具有较低的摩擦系数,较长的耐磨寿命,良好的涂层力学性能、耐介质性能及优良的高低温性能,其涂膜特性适用于在导轨在干摩擦情况下进行收放燃油接受探管。
  3. 3 试验验证及装机
  1) 模拟装机工作状态,对超音速火焰喷涂WC17Co 修复的外筒导轨与对应配合部位涂覆干性润滑膜的活塞杆导槽摩擦副进行磨合试验,用液压作动筒 XX. 6160. 1. 015. 000 对探管活塞杆 XX.6160. 1. 009. 900 进行 20 次满行程的收放转换。
  2) 对磨合后的燃油接受探管 XX. 6160. 5.130. 000 进行分解,检查外筒 XX. 6160. 1. 068. 900导轨、活塞杆 XX. 6160. 1. 009. 900 导槽摩擦表面,导轨摩擦表面无任何摩擦痕迹,与试验前的 6 个测量点进行尺寸比较,无任何磨损现象,见图 6 所示。
  3 ) 燃油接受探管实施超音速火焰喷涂WC17Co 修复前,飞机总装调试时多发生受油头摆动量大故障,受油头摆动量大小直接影响因素是导轨与导槽的间隙,其根本原因是导轨原设计的镀铬层与基体材料变形不一致,导轨 - 导槽之间相互移动和扭曲力的作用下,导轨和导槽单面接触,导致受力严重的局部铬层龟裂剥落,使导轨与导槽间隙变大造成的。通过对 XX 飞机燃油接受探管进行机上试验和测量,结果表明消除了探头摆动,活动间隙大等系列故障,验证效果良好。目前修理装机共 10 余架飞机,外场监控结果表明装机使用质量稳定可靠。
  4 结论
  超音速火焰喷涂 WC17Co 技术在国营芜湖机械厂首次用于燃油接受探管的特殊修理,解决了主要构件批量性严重损伤、备件难以采购的瓶颈问题。本项目实施过程中的试验论证和应用实践表明,超音速火焰喷涂 WC17Co 涂层硬度高、结合力强、韧性及耐磨性好; 与镀铬工艺相比,该技术实施过程中不使用镀槽,无槽液污染,更为重要的是,它彻底避免了镀覆过程中氢脆的可能。超音速火焰喷涂 WC17Co 技术替代镀铬工艺具有明显优越性。
  参考文献略

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