提高300M+钢零件+HVOF+涂层结合力的方法
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
材料
热处理
提高 300M 钢零件 HVOF 涂层结合力的方法
李 博
(中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司,陕西 汉中 7 2 3 2 00)
摘 要:在飞机起落架制造上,超音速 火 焰 喷 涂 代 替 镀 硬 铬 工 艺 在 中 航 飞 机 起 落 架 有 限 责 任 公 司 燎 原分公司 的 应 用 尚 属 国 内 首 次。生 产 中 某 型 飞 机 起 落 架 300M 钢 活 塞 杆 零 件 超 音 速 火 焰 喷 涂 WC1 0 Co4Cr 后,涂层时有出现裂纹、起皮、剥落和剥离等结合力差的现象,成为制约交付的瓶颈因素。通 过对影响 HVOF 涂层结合力的主要因素———表面状态、喷涂参数、喷涂过程控制(预热、喷枪清理及 残 余 应力)及涂层的磨削参数进行分析,总结出了几种提高 3 00M 钢零件超音速火焰喷涂 WC1 0 Co4Cr 涂层结 合力的实用方法,经过实践的长期检 验,其 效 果 显 著。同 时 对 涂 层 结 合 力 及 结 合 强 度 的 检 测 方 法 做 了 简 要的介绍。
图 2 弯曲试验验收标准
1 .5 .2 结合强度 结合强度试验是定量检测涂层与基体结合牢固
程度的一种方法。采用胶接法进行结合强度试验, 粘接剂为 E-7 胶。
1 )按 GB/T 8 6 42 《热 喷 涂 抗 拉 结 合 强 度 的 测 定》制备 3 个结合强度试样并进行测试。
2 )涂层结合强 度 > 7 0 MPa 为 合 格。 如 果 出 现 <7 0 MPa 的胶断,则 应 重 新 胶 粘 试 样 并 重 新 测 试; 如果出现<7 0 MPa 的涂层破坏,则视为不合格。
1 2 1
新技术新工艺 2015 年 第 2 期
表 1 WC1 0 Co4Cr 粉末的化学成分(质量分数) (%)
Co
Cr
Fe
Ni
Ct
Cf
O
N
1 1 .2 5 3 .1 3 0 .0 7 4 0 .0 4 6 5 .7 2 0 .1 3 0 .0 8 3 0 .0 4 6
1 .2 试样 试样材料为 3 00M 钢,弯 曲 结 合 力 试 样 规 格 为
场 也 暴 露 出 由 于 涂 层 结 合 力 差 而 出 现 的 裂 纹 、起 皮 、
剥落和剥离等缺 陷。 为 此,通 过 工 艺 试 验 总 结 出 了 一些有利于提高 300M 钢活塞杆超音速火焰喷涂
图 1 WC1 0Co4Cr 粉末的 SEM 像
《新 技 术 新 工 艺 》材 料 与 热 处 理
1 .1 喷涂粉末 所选用 的 喷 涂 粉 末 为 SM5 84 7 (WC1 0 Co4Cr),
利用 GSL-1 00 激 光 粒 度 分 析 仪 进 行 粒 度 分 析,粒 度分布非常好,且范围集中,9 0 %在 5 ~3 0 μm 并且 颗 粒 均 匀 。 可 以 肯 定 ,这 种 粉 末 具 有 非 常 好 的 流 动
1 )工序安排。对于既有喷涂又有镀铬要求的零 件,如 果 先 进 行 喷 涂 后 进 行 镀 铬,也 就 意 味 着 HVOF 涂层要长时间浸入在酸性的镀铬槽液中并 伴随整个电镀过 程。 大 量 试 验 表 明,这 样 做 会 导 致 涂层的结合强度下降 1 ~3 MPa。
2 )预 热。 预 热 能 够 消 除 零 件 表 面 的 水 分 和 湿 气 ,提 高 喷 涂 粒 子 与 零 件 接 触 时 的 界 面 温 度 ,提 高 涂 层 与 基 体 的 结 合 强 度 ;同 时 ,也 能 减 少 因 基 材 与 涂 层 材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。
架制造上的应用方 面,中 航 飞 机 起 落 架 有 限 责 任 公
司 燎 原 分 公 司 尚 属 首 次 ,取 得 了 显 著 的 成 效 ,后 续 研
制 的 其 他 机 型 上 均 不 同 程 度 采 用 了 该 工 艺 ;但 是 ,随
着应用范围的扩大 和 加 工 产 品 数 量 的 增 加,生 产 现
1 00 mm×2 5 mm × 1 mm,数 量 为 1 2 根,涂 层 厚 度 为 2 5 ~7 6 μm;结合强度试样规格为ϕ2 5 .4 mm×3 3 mm,数量为 1 5 根,螺 纹 为 M1 2 × 1 .5 ,涂 层 厚 度 为 2 00 ~2 5 0 μm。 1 .3 喷涂设备
喷涂设备为 Sulzer metco HVOF 控 制 系 统,配 备 ARC Mate 1 2 0 IB (FANUC 机 器 人 )和 Woka star600 型喷枪。 1 .4 工艺流程
工 艺 流 程 为 :喷 前 准 备 → 试 样 清 洗 、测 量 → 试 样 喷砂→检验→试样喷涂→试样检测→检验→零件喷 前检查→零件清洗→零件喷砂保护→零件喷砂→检 验→零件喷涂保护→零件喷涂→检验→机加磨削→ 涂层测厚。
1 .5 涂层性能检测 1 .5 .1 弯曲结合力
弯曲结合力试验是定性检测涂层结合力及柔韧
3 )喷涂参数。预处理好的零件应在尽可能短的 时 间 内 进 行 喷 涂 ,喷 涂 参 数 应 根 据 涂 层 材 料 、喷 枪 性 能和零件的具体情 况 而 定,优 化 的 喷 涂 参 数 可 以 提 高 喷 涂 效 率 ,并 获 得 致 密 度 高 和 结 合 强 度 高 的 涂 层 。
4 )喷 枪 的 累 计 工 作 时 间 。 煤 油 和 氧 气 在 燃 烧 室 内混合后点燃,在 喷 枪 内 部 燃 烧,并 产 生 高 度 膨 胀。 煤油内杂质会不同程度地与氧和碳在高温作用下发 生 反 应 ,形 成 不 易 熔 化 的 氧 化 物 及 碳 化 物 ,并 随 着 时 间 的 增 加 ,残 留 在 喷 枪 内 部 ,形 成 结 瘤 。 当 喷 枪 内 产 生 高 速 燃 气 流 时 ,不 可 避 免 地 将 残 留 杂 质 携 带 ,撞 击 基体表面,形 成 较 严 重 的 界 面 污 染 和 大 量 的 孔 洞。 经磨削后,涂 层 宏 观 上 表 现 为 针 眼 和 气 孔 等 缺 陷。 同 时 ,大 量 试 验 表 明 ,若 不 能 及 时 更 换 喷 嘴 或 清 理 燃 烧 室 ,会 影 响 涂 层 的 结 合 力 ,导 致 结 合 强 度 降 低 。 喷 枪不同累计工作时间下试样的结合强度如图 3 所 示。
1 22
《新 技 术 新 工 艺 》材 料 与 热 处 理
材料
热处理
图 3 喷枪不同累计工作时间下试样的结合强度
5 )残余应力。一般热喷涂涂层残余应力随着喷 涂颗粒温度的升高 而 增 大,随 着 喷 涂 颗 粒 飞 行 速 度 的增大而减小。由于 HVOF 喷涂颗粒的飞行速度 可达到 1 5 00 m/s,而 温 度 一 般 只 有 3 000 ℃ 左 右, 所以 HVOF 喷 涂 的 WC1 0Co4Cr 涂 层 的 残 余 应 力 为 压 应 力 ,其 大 小 主 要 取 决 于 涂 层 材 料 、喷 涂 工 艺 和 涂层厚度等因素。 研 究 表 明,残 余 应 力 是 导 致 热 喷 涂涂层产生开裂、剥 离 和 脱 落 等 失 效 形 式 的 主 要 原 因之一。 2 .3 后处理
2 影响 300M 钢零件 HVOF 涂层结合力的 主要因素
2 .1 表面状态 1 )表面光 洁 度。零 件 表 面 如 果 有 污 垢,如 氧 化
皮、油渍、油漆及其 他 污 物,在 喷 涂 时 会 导 致 污 垢 处 涂层无法沉积、沉积 疏 松 或 临 近 的 区 域 涂 层 不 完 整 等。
2 )表面粗糙度。粗化处理的目的是增加涂层与 基材间的接触 面,增 大 涂 层 与 基 材 的 机 械 咬 合 力, 使净化处理过的表 面 更 加 活 化,以 提 高 涂 层 与 基 材 的结合强度。W.A.Gonzalez-H ermqsilla 等 研 究 了 基体表面粗糙度对 涂 层 结 合 力 的 影 响,发 现 表 面 粗 糙度对涂层与基体间结合力影响巨大。提高基体表 面 粗 糙 度 能 够 显 著 提 高 涂 层 与 基 体 间 的 结 合 力[2]。 对大多数 金 属 材 料 来 说,喷 涂 前 表 面 粗 糙 度 为 Ra (2 .5 ~1 3 )μm 即可。 2 .2 喷涂过程
镀硬铬广泛应用于飞机起落架零件耐磨损表面 层和损伤表面层的 修 复 等 工 作,但 是 由 于 镀 硬 铬 容 易产生铬层缺陷和 氢 脆,且 电 镀 过 程 存 在 产 生 大 量
Leabharlann Baidu
WC1 0Co4Cr 涂层结合力的方法。
1 工艺试验
的铬雾和含铬废水,环 境 保 护 处 理 周 期 长 和 成 本 高 等缺点;因 此,各 个 国 家 都 在 寻 找 镀 硬 铬 的 替 代 工 艺,超音速火焰 喷 涂 (HVOF)即 是 根 据 这 一 需 要 而 产生的一 项 新 型 镀 覆 工 艺。HVOF 不 但 克 服 了 镀 硬 铬 工 艺 的 缺 点 ,而 且 其 碳 化 钨 涂 层 具 有 孔 隙 率 小 、
关键词:3 00M 钢;超音速火焰喷涂;结合力;结合强度 中图分类号:TQ 1 5 3 .1 1 文献标志码:B
Methods for Improving Adhesion of HVOF Spraying Coatings on 3 00M Steel Parts
LI Bo (Liaoyuan Branch,AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Co.,Ltd,Hanzhong 7 2 3 2 00 ,China) Abstract:It is the first application in China that replacing the process of hard chrome plating with HVOF spray to landing gear manufacture in LAMC.The phenomena of cracking,blistering,skinning,flakeing and peeling happen sometimes on coatings after HVOF spraying WC1 0 Co4Cr on 3 00 M piston rod of landing gear for a type of aircraft,which bottlenecks the product delivery.The paper discussed methods for improving adhesion of HVOF WC1 0 Co4Cr coatings on 3 00 M steel parts through analyzing main factors which affect the adhesion,such as surface conditions,spray parameters,process control during spraying(warm-up,spray gun cleaning and residual stress )and analysis of parameters from coating grinding.These methods are effective by long time validation.At the same time,the methods of detecting the coating bonding force and bonding strength were briefly introduced. Key words:3 00 M steel,HVOF,bonding force,bonding strength
度的一种方法。
1 )将喷涂符 合 要 求 的 试 样 绕 直 径 为 1 2 .7 ~ 1 3 mm 的钢棒弯曲成 1 80°夹角,涂层面向外,弯曲速度 约为 1 0°/s。
2 )目视检 查 弯 曲 部 位 (见 图 2 ),不 应 出 现 涂 层 剥落或剥离情况。涂层开裂和边角出现少量剥落应
视为合格。
结 合 强 度 高 、硬 度 高 和 沉 积 速 率 高 等 优 点 。 在以美国为代表的 西 方 发 达 国 家 中,HVOF 已
在航空航天等领域 有 了 较 为 广 泛 的 应 用,并 在 逐 步 取代爆炸喷涂和等离子喷涂[1]。国内其在飞机 起 落
性,利用 Quanta6 00 扫描电镜(SEM)分 析 了 其 形 貌 (见图 1 )。WC1 0 Co4Cr 粉末的化学成分见表 1 。
热处理
提高 300M 钢零件 HVOF 涂层结合力的方法
李 博
(中航飞机起落架有限责任公司 燎原分公司,陕西 汉中 7 2 3 2 00)
摘 要:在飞机起落架制造上,超音速 火 焰 喷 涂 代 替 镀 硬 铬 工 艺 在 中 航 飞 机 起 落 架 有 限 责 任 公 司 燎 原分公司 的 应 用 尚 属 国 内 首 次。生 产 中 某 型 飞 机 起 落 架 300M 钢 活 塞 杆 零 件 超 音 速 火 焰 喷 涂 WC1 0 Co4Cr 后,涂层时有出现裂纹、起皮、剥落和剥离等结合力差的现象,成为制约交付的瓶颈因素。通 过对影响 HVOF 涂层结合力的主要因素———表面状态、喷涂参数、喷涂过程控制(预热、喷枪清理及 残 余 应力)及涂层的磨削参数进行分析,总结出了几种提高 3 00M 钢零件超音速火焰喷涂 WC1 0 Co4Cr 涂层结 合力的实用方法,经过实践的长期检 验,其 效 果 显 著。同 时 对 涂 层 结 合 力 及 结 合 强 度 的 检 测 方 法 做 了 简 要的介绍。
图 2 弯曲试验验收标准
1 .5 .2 结合强度 结合强度试验是定量检测涂层与基体结合牢固
程度的一种方法。采用胶接法进行结合强度试验, 粘接剂为 E-7 胶。
1 )按 GB/T 8 6 42 《热 喷 涂 抗 拉 结 合 强 度 的 测 定》制备 3 个结合强度试样并进行测试。
2 )涂层结合强 度 > 7 0 MPa 为 合 格。 如 果 出 现 <7 0 MPa 的胶断,则 应 重 新 胶 粘 试 样 并 重 新 测 试; 如果出现<7 0 MPa 的涂层破坏,则视为不合格。
1 2 1
新技术新工艺 2015 年 第 2 期
表 1 WC1 0 Co4Cr 粉末的化学成分(质量分数) (%)
Co
Cr
Fe
Ni
Ct
Cf
O
N
1 1 .2 5 3 .1 3 0 .0 7 4 0 .0 4 6 5 .7 2 0 .1 3 0 .0 8 3 0 .0 4 6
1 .2 试样 试样材料为 3 00M 钢,弯 曲 结 合 力 试 样 规 格 为
场 也 暴 露 出 由 于 涂 层 结 合 力 差 而 出 现 的 裂 纹 、起 皮 、
剥落和剥离等缺 陷。 为 此,通 过 工 艺 试 验 总 结 出 了 一些有利于提高 300M 钢活塞杆超音速火焰喷涂
图 1 WC1 0Co4Cr 粉末的 SEM 像
《新 技 术 新 工 艺 》材 料 与 热 处 理
1 .1 喷涂粉末 所选用 的 喷 涂 粉 末 为 SM5 84 7 (WC1 0 Co4Cr),
利用 GSL-1 00 激 光 粒 度 分 析 仪 进 行 粒 度 分 析,粒 度分布非常好,且范围集中,9 0 %在 5 ~3 0 μm 并且 颗 粒 均 匀 。 可 以 肯 定 ,这 种 粉 末 具 有 非 常 好 的 流 动
1 )工序安排。对于既有喷涂又有镀铬要求的零 件,如 果 先 进 行 喷 涂 后 进 行 镀 铬,也 就 意 味 着 HVOF 涂层要长时间浸入在酸性的镀铬槽液中并 伴随整个电镀过 程。 大 量 试 验 表 明,这 样 做 会 导 致 涂层的结合强度下降 1 ~3 MPa。
2 )预 热。 预 热 能 够 消 除 零 件 表 面 的 水 分 和 湿 气 ,提 高 喷 涂 粒 子 与 零 件 接 触 时 的 界 面 温 度 ,提 高 涂 层 与 基 体 的 结 合 强 度 ;同 时 ,也 能 减 少 因 基 材 与 涂 层 材料的热膨胀差异造成的应力而导致的涂层开裂。
架制造上的应用方 面,中 航 飞 机 起 落 架 有 限 责 任 公
司 燎 原 分 公 司 尚 属 首 次 ,取 得 了 显 著 的 成 效 ,后 续 研
制 的 其 他 机 型 上 均 不 同 程 度 采 用 了 该 工 艺 ;但 是 ,随
着应用范围的扩大 和 加 工 产 品 数 量 的 增 加,生 产 现
1 00 mm×2 5 mm × 1 mm,数 量 为 1 2 根,涂 层 厚 度 为 2 5 ~7 6 μm;结合强度试样规格为ϕ2 5 .4 mm×3 3 mm,数量为 1 5 根,螺 纹 为 M1 2 × 1 .5 ,涂 层 厚 度 为 2 00 ~2 5 0 μm。 1 .3 喷涂设备
喷涂设备为 Sulzer metco HVOF 控 制 系 统,配 备 ARC Mate 1 2 0 IB (FANUC 机 器 人 )和 Woka star600 型喷枪。 1 .4 工艺流程
工 艺 流 程 为 :喷 前 准 备 → 试 样 清 洗 、测 量 → 试 样 喷砂→检验→试样喷涂→试样检测→检验→零件喷 前检查→零件清洗→零件喷砂保护→零件喷砂→检 验→零件喷涂保护→零件喷涂→检验→机加磨削→ 涂层测厚。
1 .5 涂层性能检测 1 .5 .1 弯曲结合力
弯曲结合力试验是定性检测涂层结合力及柔韧
3 )喷涂参数。预处理好的零件应在尽可能短的 时 间 内 进 行 喷 涂 ,喷 涂 参 数 应 根 据 涂 层 材 料 、喷 枪 性 能和零件的具体情 况 而 定,优 化 的 喷 涂 参 数 可 以 提 高 喷 涂 效 率 ,并 获 得 致 密 度 高 和 结 合 强 度 高 的 涂 层 。
4 )喷 枪 的 累 计 工 作 时 间 。 煤 油 和 氧 气 在 燃 烧 室 内混合后点燃,在 喷 枪 内 部 燃 烧,并 产 生 高 度 膨 胀。 煤油内杂质会不同程度地与氧和碳在高温作用下发 生 反 应 ,形 成 不 易 熔 化 的 氧 化 物 及 碳 化 物 ,并 随 着 时 间 的 增 加 ,残 留 在 喷 枪 内 部 ,形 成 结 瘤 。 当 喷 枪 内 产 生 高 速 燃 气 流 时 ,不 可 避 免 地 将 残 留 杂 质 携 带 ,撞 击 基体表面,形 成 较 严 重 的 界 面 污 染 和 大 量 的 孔 洞。 经磨削后,涂 层 宏 观 上 表 现 为 针 眼 和 气 孔 等 缺 陷。 同 时 ,大 量 试 验 表 明 ,若 不 能 及 时 更 换 喷 嘴 或 清 理 燃 烧 室 ,会 影 响 涂 层 的 结 合 力 ,导 致 结 合 强 度 降 低 。 喷 枪不同累计工作时间下试样的结合强度如图 3 所 示。
1 22
《新 技 术 新 工 艺 》材 料 与 热 处 理
材料
热处理
图 3 喷枪不同累计工作时间下试样的结合强度
5 )残余应力。一般热喷涂涂层残余应力随着喷 涂颗粒温度的升高 而 增 大,随 着 喷 涂 颗 粒 飞 行 速 度 的增大而减小。由于 HVOF 喷涂颗粒的飞行速度 可达到 1 5 00 m/s,而 温 度 一 般 只 有 3 000 ℃ 左 右, 所以 HVOF 喷 涂 的 WC1 0Co4Cr 涂 层 的 残 余 应 力 为 压 应 力 ,其 大 小 主 要 取 决 于 涂 层 材 料 、喷 涂 工 艺 和 涂层厚度等因素。 研 究 表 明,残 余 应 力 是 导 致 热 喷 涂涂层产生开裂、剥 离 和 脱 落 等 失 效 形 式 的 主 要 原 因之一。 2 .3 后处理
2 影响 300M 钢零件 HVOF 涂层结合力的 主要因素
2 .1 表面状态 1 )表面光 洁 度。零 件 表 面 如 果 有 污 垢,如 氧 化
皮、油渍、油漆及其 他 污 物,在 喷 涂 时 会 导 致 污 垢 处 涂层无法沉积、沉积 疏 松 或 临 近 的 区 域 涂 层 不 完 整 等。
2 )表面粗糙度。粗化处理的目的是增加涂层与 基材间的接触 面,增 大 涂 层 与 基 材 的 机 械 咬 合 力, 使净化处理过的表 面 更 加 活 化,以 提 高 涂 层 与 基 材 的结合强度。W.A.Gonzalez-H ermqsilla 等 研 究 了 基体表面粗糙度对 涂 层 结 合 力 的 影 响,发 现 表 面 粗 糙度对涂层与基体间结合力影响巨大。提高基体表 面 粗 糙 度 能 够 显 著 提 高 涂 层 与 基 体 间 的 结 合 力[2]。 对大多数 金 属 材 料 来 说,喷 涂 前 表 面 粗 糙 度 为 Ra (2 .5 ~1 3 )μm 即可。 2 .2 喷涂过程
镀硬铬广泛应用于飞机起落架零件耐磨损表面 层和损伤表面层的 修 复 等 工 作,但 是 由 于 镀 硬 铬 容 易产生铬层缺陷和 氢 脆,且 电 镀 过 程 存 在 产 生 大 量
Leabharlann Baidu
WC1 0Co4Cr 涂层结合力的方法。
1 工艺试验
的铬雾和含铬废水,环 境 保 护 处 理 周 期 长 和 成 本 高 等缺点;因 此,各 个 国 家 都 在 寻 找 镀 硬 铬 的 替 代 工 艺,超音速火焰 喷 涂 (HVOF)即 是 根 据 这 一 需 要 而 产生的一 项 新 型 镀 覆 工 艺。HVOF 不 但 克 服 了 镀 硬 铬 工 艺 的 缺 点 ,而 且 其 碳 化 钨 涂 层 具 有 孔 隙 率 小 、
关键词:3 00M 钢;超音速火焰喷涂;结合力;结合强度 中图分类号:TQ 1 5 3 .1 1 文献标志码:B
Methods for Improving Adhesion of HVOF Spraying Coatings on 3 00M Steel Parts
LI Bo (Liaoyuan Branch,AVIC Landing Gear Advanced Manufacturing Co.,Ltd,Hanzhong 7 2 3 2 00 ,China) Abstract:It is the first application in China that replacing the process of hard chrome plating with HVOF spray to landing gear manufacture in LAMC.The phenomena of cracking,blistering,skinning,flakeing and peeling happen sometimes on coatings after HVOF spraying WC1 0 Co4Cr on 3 00 M piston rod of landing gear for a type of aircraft,which bottlenecks the product delivery.The paper discussed methods for improving adhesion of HVOF WC1 0 Co4Cr coatings on 3 00 M steel parts through analyzing main factors which affect the adhesion,such as surface conditions,spray parameters,process control during spraying(warm-up,spray gun cleaning and residual stress )and analysis of parameters from coating grinding.These methods are effective by long time validation.At the same time,the methods of detecting the coating bonding force and bonding strength were briefly introduced. Key words:3 00 M steel,HVOF,bonding force,bonding strength
度的一种方法。
1 )将喷涂符 合 要 求 的 试 样 绕 直 径 为 1 2 .7 ~ 1 3 mm 的钢棒弯曲成 1 80°夹角,涂层面向外,弯曲速度 约为 1 0°/s。
2 )目视检 查 弯 曲 部 位 (见 图 2 ),不 应 出 现 涂 层 剥落或剥离情况。涂层开裂和边角出现少量剥落应
视为合格。
结 合 强 度 高 、硬 度 高 和 沉 积 速 率 高 等 优 点 。 在以美国为代表的 西 方 发 达 国 家 中,HVOF 已
在航空航天等领域 有 了 较 为 广 泛 的 应 用,并 在 逐 步 取代爆炸喷涂和等离子喷涂[1]。国内其在飞机 起 落
性,利用 Quanta6 00 扫描电镜(SEM)分 析 了 其 形 貌 (见图 1 )。WC1 0 Co4Cr 粉末的化学成分见表 1 。