熱噴涂工藝技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用獲獎科研報告

熱噴涂工藝技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用獲獎科研報告摘

要：熱噴涂工藝是材料表面強(qiáng)化與安全防護(hù)的重要技術(shù)手段之一，通過熱噴涂工藝可為飛機(jī)各零部件制備耐腐蝕、絕緣、隔熱、抗氧化、防輻射等不同功能的涂層。本文結(jié)合工作實際，就航空制造領(lǐng)域中熱噴涂工藝的技術(shù)原理、工藝流程、質(zhì)量要求等方面的工藝內(nèi)容進(jìn)行了探討與研究。

關(guān)鍵詞：熱噴涂工藝;航空制造;應(yīng)用

前言：

飛機(jī)運(yùn)行過程中，其各零部件的工作條件非常復(fù)雜、嚴(yán)酷，需要承受高溫、高壓等各種外界不良環(huán)境所帶來的影響。為保障飛機(jī)運(yùn)行的安全，必然對其材料和制造工藝都有著很高的標(biāo)準(zhǔn)與要求。目前，我國航空制造領(lǐng)域中的工藝種類繁多，如表面處理、熱處理、焊接、鍛造、膠接等，都屬于航空特種制造工藝的范疇。熱噴涂技術(shù)屬于表面處理工藝的一類，可在飛機(jī)零部件表面形成具有一定結(jié)合強(qiáng)度的涂層，從而達(dá)到強(qiáng)化材料表面與安全防護(hù)的重要作用，因此在我國航空、航天等高新技術(shù)領(lǐng)域中有著廣泛的使用。

一、熱噴涂的技術(shù)原理及主要類型

（一）技術(shù)原理

熱噴涂工藝的技術(shù)原理，主要是指通過放電、激光、火焰等各類熱源，將涂層材料加熱到軟化或熔融狀態(tài)，再借助外力將其噴涂到零部件表面，通過快速冷卻凝固在表面，所形成的扁平化且具有一定特殊功能的復(fù)合涂層工藝技術(shù)。

（二）主要類型

在航空制造領(lǐng)域，常用的熱噴涂工藝就多達(dá)十余種，為制備各種特殊功能的涂層提供了豐富手段。借鑒國際標(biāo)準(zhǔn)ISO14917中的分類，根據(jù)噴涂材料形態(tài)的不同可分為：粉末熱噴涂、棒材熱噴涂、線材熱噴涂等;根據(jù)制備方式的不同可分為：全自動噴涂、機(jī)械化噴涂、手工化噴涂等;而根據(jù)熱源的不同可細(xì)分為：氣體燃燒噴涂、氣體放電噴涂、電熱噴涂、爆炸噴涂、激光噴涂等多種類型。

目前，在航空制造領(lǐng)域中較常采用的熱噴涂工藝包括了：氧乙炔火焰噴涂、超聲速火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂等。例如，等離子噴涂工藝?yán)肳C-Co/Cr、CoMoCrSi等噴涂材料，可在飛機(jī)發(fā)動機(jī)軸、軸承座上形成耐磨蝕涂層;爆炸噴涂工藝?yán)肵-40、WC-Co等噴涂材料，可在噴氣發(fā)動機(jī)渦輪軸、渦輪葉片葉冠等部位，形成耐磨蝕、封嚴(yán)、絕緣等功能的涂層。

二、航空制造領(lǐng)域中熱噴涂的工藝流程

熱噴涂的工藝流程主要包括了預(yù)處理、噴涂施工、后處理等工序。根據(jù)噴涂方法、工件基體材料、涂層材料以及使用性能和服役條件的不同。本文以航空制造領(lǐng)域中較常采用的等離子噴涂技術(shù)為具體實例，詳細(xì)探討了該技術(shù)的工藝流程：

（一）預(yù)處理

1.表面加工清理

表面加工清理是等離子噴涂前，表面制備的第一步。其目的是清除表面油污、氧化皮、漆層等污物。對于無縫隙的飛機(jī)零部件，可采用有機(jī)溶劑除油或吹砂處理。表面存在的漆層，可先用脫漆劑把油漆除掉再進(jìn)行清理。對于多孔的鑄件或有狹鏠的零件，也可采用加熱除油的方法先將零件加熱到300-500℃，然后再清除滲出的油污，有吋需重復(fù)幾次才能除凈。如果零件因加熱發(fā)生氧化，可用吹砂法清除氧化皮。

2.非噴涂表面的保護(hù)

保護(hù)零件非噴涂部位的方法因零件的形狀和被保護(hù)部位而異。目前，在等離子噴涂技術(shù)中，膠帶保護(hù)法被廣泛采用，它適用于形狀復(fù)雜、制作夾具比較困難的飛機(jī)零部件。在非噴涂表面上涂保護(hù)涂料也是一種有效的保護(hù)方法。此外，也可根據(jù)飛機(jī)零部件形狀，特意制作專用夾具進(jìn)行保護(hù)。

3.表面粗化

在加工清理合格的表面上，還應(yīng)作進(jìn)一步的粗化處理，以增大飛機(jī)零部件與涂層的接觸表面積，提高涂層粘結(jié)強(qiáng)度。常用的粗化方法主要包括了：吹砂、拉毛、開槽、車螺紋、滾花等。目前，吹砂是最普遍而經(jīng)濟(jì)的粗化方法。粗化和清理所用的吹砂設(shè)備最好分開，或采用更換砂子的方法，目的是防止粗化用砂的污染。各種不同類型的材料選用壓縮空氣的壓力可為0.20-0.55MPa，選用18-24目或60-80目的氧化鋁砂子進(jìn)行噴砂，可以獲得滿意的表面粗化效果。

（二）熱噴涂施工

1.噴涂參數(shù)的選擇

選擇適宜的等離子工作氣體，形成等離子電弧的氣體多采用氬氣、氮?dú)獾榷栊詺怏w，在航空制造領(lǐng)域中通常采用含有5%-25%氫氣的氮?dú)庾鳛榈入x子氣體，其傳遞給噴射粒子的能量最多，且費(fèi)用偏低，如某些飛機(jī)零部件材料與氮?dú)鈺a(chǎn)生有害反應(yīng)時，也可采用含5%-25%的氬氣作為等離子氣體，該類氣體雖然熱能傳遞偏低，但性能穩(wěn)定，其形成的涂層結(jié)構(gòu)非常致密。

2.預(yù)熱和冷卻

通過預(yù)熱，可有效去除零部件基體表面的濕氣，減少涂層和基體的相對膨脹量，從而達(dá)到改善粘結(jié)性能的目的。通常的預(yù)熱溫度為70-150℃，小型零部件可采用等離子噴槍火焰預(yù)熱。大型零件可在爐子中預(yù)熱，但要防止零件被氧化和變形。在噴涂過程中要適當(dāng)冷卻零件，以控制零件溫度，防止過熱，減少涂層熱應(yīng)力。冷卻的技術(shù)要求為：壓縮空氣或其它冷卻氣源吹風(fēng)冷卻零件，冷卻氣流必須與噴射點保持一定距離，以不妨礙涂層沉積為原則，冷卻氣流必須清潔，無油無水，對于易于氧化的涂層，可采用惰性氣體冷卻。可采用間歇噴涂的方式，一般噴涂10-20秒，停噴2-5分鐘使零件冷卻，如此反復(fù)，直到噴至所需的涂層厚度，同時注意控制適當(dāng)?shù)膰姌屢苿铀俣燃傲慵D(zhuǎn)速。

3.噴涂距離控制

當(dāng)噴槍和零部件的距離增大時，火焰溫度會急劇下降，噴射粒子速度降低。當(dāng)噴涂距離太近時，零部件溫度又難以控制，且易于造成涂層和基體過熱。兩種情況都會造成涂層質(zhì)量降低，沉積率下降。合適的噴涂距離適宜控制在70-150毫米之間。

4.噴槍移動速度控制

噴槍對于零部件的相對移動速度，如果選擇不當(dāng)，容易導(dǎo)致零部件局部過熱、涂層氧化等缺陷問題。因此，建議噴槍移動速度為30-100米/分鐘。噴槍的橫向移動速度應(yīng)保證噴涂層平整，每一道涂層的厚度應(yīng)小于0.05mm，后一道涂層應(yīng)與上一道涂層搭疊三分之一左右。同時，要求應(yīng)盡可能垂直噴涂，但某些飛機(jī)零部件，因幾何形狀限制，噴涂角度允許到45°。

三、航空制造領(lǐng)域中熱噴涂的質(zhì)量要求

（1）涂層的質(zhì)量評定

在航空制造領(lǐng)域中，對于選用的新涂層，應(yīng)根據(jù)使用需要進(jìn)行各種試驗，如：金相試驗、涂層拉伸結(jié)合強(qiáng)度試驗、剪切結(jié)合強(qiáng)度試驗、磨損試驗、劃痕試驗、彎曲試驗、孔隙度試驗、耐介質(zhì)試驗、液體滲透試驗等。但當(dāng)涂層及工藝經(jīng)選定后，只需進(jìn)行簡單的常規(guī)試驗即可。對于正常噴涂層質(zhì)量的檢驗，涂層厚度可用千分尺或?qū)Ｓ昧烤哌M(jìn)行測量。涂層外觀可用肉眼或五倍放大鏡觀察有無裂紋、脫落、未熔化的大顆粒，對可磨耗涂層還應(yīng)進(jìn)行硬度檢査。

（2）涂層缺陷的排除

對于檢驗不合格的涂層，必須退除千凈，然后重新預(yù)制表面，重新噴涂。目前，退除涂層的方法主要有機(jī)械法、化學(xué)或電化學(xué)法，其中機(jī)械法最為常用。

結(jié)論：

近年來，我國航空制造技術(shù)發(fā)展迅速，尤其以熱噴涂工藝為代表的特種加工制造技術(shù)得到了跨