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，依靠火焰加速噴射到基體上，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。可以看出目前國(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 成書民 史建猛 單位：中航飛機(jī)股份有限公司