談鈦合金火焰噴涂外圓磨削加工工藝

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［摘要］為了提高飛機(jī)鈦合金零件的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫等性能，許多關(guān)鍵重要的鈦合金結(jié)構(gòu)件上工程部門(mén)選用火焰噴涂（HVOF）鈷基碳化鎢（WC-17Co）涂層，但是受火焰噴涂工藝方法的限制，火焰噴涂后零件表面粗糙度及均勻性不能滿(mǎn)足工程圖樣要求，必須通過(guò)磨削工藝方法保證，由于（HVOF）鈷基碳化鎢（WC-17Co）涂層硬度高且屬于硬脆性材料，其磨削過(guò)程控制不當(dāng)，會(huì)造成涂層表面出現(xiàn)嚴(yán)重網(wǎng)狀裂紋，中航飛機(jī)股份有限公司針對(duì)鈦合金火焰噴涂外圓磨削進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，并給出火焰噴涂外圓磨削工藝參數(shù)和技術(shù)要求，可直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

［關(guān)鍵詞］鈦合金；火焰噴涂；磨削

火焰噴涂（HVOF）鈷基碳化鎢（WC-17Co）涂層以其優(yōu)越的耐磨性、耐腐蝕性近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品零件表面，是一種新型的表面防護(hù)和表面強(qiáng)化工藝，該工藝?yán)萌細(xì)庾鳛闊嵩?，將噴涂材料以一定傳輸方式進(jìn)入火焰，加熱熔融，依靠火焰加速?lài)娚涞交w上，堆積形成涂層。然而受火焰噴涂工藝特點(diǎn)影響，火焰噴涂后零件的表面粗糙度和涂層均勻性均不能滿(mǎn)足工程的使用要求，噴涂后需對(duì)涂層表面進(jìn)行磨削，但是由于火焰噴涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度較低，對(duì)交變載荷和沖擊載荷比較敏感，磨削過(guò)程控制不當(dāng)，會(huì)造成涂層表面出現(xiàn)嚴(yán)重網(wǎng)狀裂紋[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)WC系涂層的磨削加工研究十分有限，多集中在材料去除機(jī)理以及磨削后涂層組織性能的提升方面。Hamed等[3]研究了在中低磨削速度下，HVOF噴涂的WC-Co-Cr涂層的材料去除機(jī)制，表明涂層的去除機(jī)制有兩種，脆性斷裂以及塑性去除，在不同磨削參數(shù)下，兩種方式的程度也不盡相同。Maiti等人[4]的研究表明磨削對(duì)于涂層的耐磨性有顯著的提升作用，涂層的顯微硬度在磨削過(guò)后有所提升。Shang等人[5]發(fā)現(xiàn)在高速磨削條件下涂層材料亞表面質(zhì)量較普通磨削有明顯提高。徐成[6]等人發(fā)現(xiàn)高速磨削碳化鎢HVOF涂層中，砂輪粒度對(duì)于磨削過(guò)程影響最為顯著，粒度越大，表面粗糙度越小。Maedeh等[7]研究了HVOF噴涂WC–10Co–4Cr涂層不同磨削參數(shù)對(duì)涂層殘余壓應(yīng)力的影響，結(jié)果表明，磨削過(guò)后涂層殘余壓應(yīng)力有所提高?？梢钥闯瞿壳皣?guó)內(nèi)外對(duì)火焰噴涂的WC系涂層磨削過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生與控制研究較少，但實(shí)際工程中裂紋是極易產(chǎn)生的，特別是以鈦合金為基體材料，表層為鈷基碳化鎢（WC-17Co）涂層結(jié)構(gòu)，由于鈦合金與涂層表面硬度差別大，火焰噴涂后形成芯部軟表面硬的“雞蛋型”結(jié)構(gòu)，致使鈦合金火焰噴涂涂層磨削難度加大，工藝參數(shù)設(shè)置不合理，工藝方法不當(dāng)，很容易形成表面網(wǎng)狀裂紋。因此本文詳細(xì)介紹了火焰噴涂磨削工藝工藝參數(shù)和工藝方法對(duì)涂層裂紋影響的研究過(guò)程，并對(duì)研究所取得的成果進(jìn)行總結(jié)，供同行業(yè)技術(shù)人員借鑒和參考。

1原理介紹

超音速火焰噴涂技術(shù)（HighVeloeityOxy-Fuel）又稱(chēng)作高速火焰熱噴涂技術(shù)，是從爆炸噴涂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的熱噴涂技術(shù)。超音速火焰噴涂工作原理如圖1所示，高壓、高能燃料與高純氧在燃燒室內(nèi)劇烈燃燒，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的噴嘴，攜帶熱噴涂粉末顆粒在噴管內(nèi)形成連續(xù)不斷的高速粒子流，并噴射在工件表面上，形成結(jié)合強(qiáng)度高和致密度高涂層的熱噴涂技術(shù)[8]。超音速火焰噴涂具有幾個(gè)鮮明的優(yōu)點(diǎn)[9][10]：①熱噴涂粉末顆粒的飛行速度較高，②熱噴涂粉末的氧化燒損、分解降低，③超高的焰流速度和相對(duì)較低的溫度。正是由于這些優(yōu)點(diǎn)使得HVOF處理后的涂層具有更優(yōu)越的綜合性能。在制備WC基涂層時(shí)，碳化鎢相的氧化脫碳得到了很好的抑制，使得WC基涂層具有較好的耐磨性。相對(duì)較低的焰流溫度以及較高的粒子飛行速度可以大大降低孔隙率，粒子扁平化變形充分，制備的涂層結(jié)構(gòu)致密。而較高的粒子飛行速度在超音速火焰噴涂技術(shù)制備的涂層上引入了拉應(yīng)力，增強(qiáng)了涂層表面性能。而正是由于HVOF處理后涂層高硬度、高耐磨性以及較高粗糙度的原因，使得磨削加工表面質(zhì)量難以保證極易產(chǎn)生表面損傷。一方面相對(duì)較高的粗糙度會(huì)使金剛石顆粒的局部穿透深度小使得在微觀(guān)上每個(gè)區(qū)域的磨削作用并不會(huì)完全一致，從而導(dǎo)致磨削涂層表面出現(xiàn)局部的裂紋[11]。同時(shí)，過(guò)高的磨削熱以及磨粒分布微觀(guān)不均會(huì)導(dǎo)致材料表面將產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在后續(xù)的循環(huán)應(yīng)力的作用下很容易成核擴(kuò)展成為宏觀(guān)裂紋。

2試驗(yàn)方案

2.1基體制造

為了排除基體加工對(duì)本研究的影響，本項(xiàng)目選擇成熟的鈦合金材料Ti-6Al-4V作為制造基體的材料，基體材料信息見(jiàn)表1。將毛料安裝在車(chē)床上，采用常規(guī)機(jī)械加工工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)進(jìn)行加工，最終滿(mǎn)足圖2的尺寸要求。為排除基體加工產(chǎn)生裂紋，加工后的試驗(yàn)件安排熒光滲透檢查。經(jīng)檢查，無(wú)裂紋。對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行磨削，選擇鈦合金的磨削用量時(shí)，首先要考慮的是降低磨削溫度。磨削速度對(duì)磨削溫度影響最大。因此，磨削鈦合金時(shí)速度不宜太高。采用合理的磨削用量，可獲得較低的磨削溫度，表面殘余應(yīng)力較低。鈦合金除普通磨削法外，還可采用緩進(jìn)給磨削法和低應(yīng)力磨削法。磨削用量參考表2。磨削后的試驗(yàn)件應(yīng)符合圖3要求，為排除基體加工產(chǎn)生裂紋，加工后的試驗(yàn)件安排熒光滲透檢查。經(jīng)檢查，無(wú)裂紋。

2.2火焰噴涂

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行超音速火焰噴涂WC-17Co，涂層厚度為：100um~150um。為排除基體加工產(chǎn)生裂紋，加工后的試驗(yàn)件安排熒光滲透檢查。經(jīng)檢查，無(wú)裂紋。

2.3火焰噴涂涂層磨削

超音速火焰噴涂WC-17Co，涂層硬度高，因此選用金剛石砂輪，參考難加工材料磨削參數(shù)，給出參考的磨削參數(shù)，見(jiàn)表3。 磨削后試驗(yàn)件，經(jīng)檢查，符合圖4的要求。對(duì)試驗(yàn)件開(kāi)展熒光檢查后，表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，如圖5所示。

3裂紋原因分析

試驗(yàn)失效后，我們組織相關(guān)人員對(duì)試驗(yàn)件制造的全過(guò)程進(jìn)行復(fù)查，從基體原材料復(fù)驗(yàn)、基體試驗(yàn)件制造、試驗(yàn)件火焰噴涂以及火焰噴涂磨削過(guò)程、滲透檢查等方面從人、機(jī)、料、法、環(huán)全方面逐一核查，其制造流程滿(mǎn)足制造指令要求，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析，我們認(rèn)為基體原材料復(fù)驗(yàn)、基體試驗(yàn)件制造、試驗(yàn)件火焰噴涂和滲透檢查幾方面均為成熟工藝，而鈦合金火焰噴涂磨削屬于新工藝應(yīng)用，沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn)，考慮到火焰噴涂碳化鎢涂層硬度高，參考難加工材料超高強(qiáng)度鋼鍍層磨削給出的參考加工參數(shù)，未經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，而進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)鈦合金火焰噴涂后，材料狀態(tài)為芯部軟、表面硬度高的一種“雞蛋”型結(jié)構(gòu)，與超高強(qiáng)度鋼鍍層的結(jié)構(gòu)狀態(tài)存在很大差異，初步認(rèn)為火焰噴涂涂層磨削工藝參數(shù)不當(dāng)是導(dǎo)致試驗(yàn)失效的主要原因。為進(jìn)一步摸清裂紋產(chǎn)生的原因，使用質(zhì)量分析工具魚(yú)刺圖對(duì)試驗(yàn)失敗原因進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖6。通過(guò)魚(yú)刺圖（見(jiàn)圖6）和5WHY分析圖可以看出工藝參數(shù)不合理，操作方法不當(dāng)，使得砂輪在磨削火焰噴涂涂層時(shí)，瞬間應(yīng)力過(guò)大，磨削溫度過(guò)高，零件熱應(yīng)力變形，涂層又屬于硬脆材料，很容易導(dǎo)致涂層表面磨削后出現(xiàn)大量的網(wǎng)狀裂紋。

4工藝改進(jìn)

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的根本原因，制定如下改進(jìn)措施：（1）調(diào)整工藝參數(shù)，將每次砂輪切削深度調(diào)整到磨削工藝最小極限，調(diào)整后的工藝參數(shù)見(jiàn)表4；（2）為了進(jìn)一步降低熱應(yīng)力，精磨時(shí)，每進(jìn)刀一次，砂輪空走8~10個(gè)行程；（3）為防止磨削時(shí)砂輪堵塞，每磨削0.02mm余量，應(yīng)使用砂輪清潔條（NR2）清潔砂輪表面；（4）為避免零件邊緣產(chǎn)生裂紋，砂輪磨削到零件邊緣時(shí)，砂輪盡可能不走出工件。按照以上工藝改進(jìn)措施，重新對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行火焰噴涂涂層磨削，磨削后開(kāi)展熒光檢查，經(jīng)檢查，無(wú)裂紋產(chǎn)生。具體實(shí)物見(jiàn)圖7。

5結(jié)論

（1）鈦合金附帶火焰噴涂涂層，零件材料的組織構(gòu)成發(fā)生變化，表層硬芯部軟的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磨削加工時(shí)易產(chǎn)生裂紋，磨削時(shí)必須選擇恰當(dāng)?shù)哪ハ鲄?shù)。（2）火焰噴涂涂層硬度高，磨削難度大，易產(chǎn)生磨削熱，因此磨削時(shí)每進(jìn)刀一次，砂輪應(yīng)進(jìn)行空走8個(gè)~10個(gè)行程。（3）火焰噴涂涂層磨削時(shí)，為防止砂輪堵塞，應(yīng)及時(shí)清潔砂輪表面。（4）為了快速找出火焰噴涂涂層裂紋，建議在基體加工、火焰噴涂、火焰噴涂磨削后均安排熒光檢查。

參考文獻(xiàn)

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作者：關(guān)艷英 王俊斌 成書(shū)民 史建猛 單位：中航飛機(jī)股份有限公司