Ti55531鈦合金零件超音速噴涂碳化鎢工藝研究

田 軍，李 博

(中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723200)

Ti55531是一種新興的近β型超高強(qiáng)度鈦合金，其名義成分為Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr-1Zr。該合金擁有良好的淬透性和較寬的加工工藝范圍，特別適合制造必須承受巨大應(yīng)力的零部件，比較適合用于結(jié)構(gòu)件和起落架、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)掛架之間連接裝置等，在航空航天工業(yè)中日益受到青睞[1-2]。與傳統(tǒng)近β型合金Ti-1023相比，該合金冶煉、加工成本低，不會(huì)出現(xiàn)明顯的成分偏析，具有強(qiáng)度優(yōu)異和斷裂強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸有取代Ti-1023的趨勢[3]。目前，對該合金的熱處理工藝已有許多研究[4-5]，但對表面處理工藝方面的研究尚不多見。本文研究的Ti55531鈦合金超音速噴涂WC-10Co4Cr工藝，為新研產(chǎn)品的加工提供了依據(jù)。

1 工藝試驗(yàn)

1.1 試樣

除結(jié)合力試樣材料為TC4外，其余試樣材料為國產(chǎn)Ti55531鈦合金，符合Q/1SM 1004—2020標(biāo)準(zhǔn)，表面粗糙度≤Ra0.8 μm，性能檢測項(xiàng)目及試樣要求見表1。表1中，涂層外觀、厚度允許在結(jié)合力試樣上進(jìn)行。

表1 性能檢測項(xiàng)目及試樣要求

1.2 試驗(yàn)儀器

硬度檢測采用HMV-G-FA-D型顯微維氏硬度計(jì)；涂層金相組織使用奧林巴斯BX41M顯微鏡；涂層結(jié)合強(qiáng)度測試使用RCM-4100型常溫持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)。

1.3 噴涂工藝

參照國外鈦合金超音速火焰噴涂工藝，并結(jié)合公司TC18鈦合金超音速火焰噴涂碳化鎢加工經(jīng)驗(yàn)，制定了2種Ti55531鈦合金噴涂WC-10Co4Cr工藝，流程如下。

1)工藝1：噴涂前驗(yàn)收→除油→吹砂→保護(hù)與裝夾→噴涂→檢驗(yàn)→磨削→終檢。

2)工藝2：噴涂前驗(yàn)收→除油→酸洗和鈍化→保護(hù)與裝夾→噴涂→檢驗(yàn)→磨削→終檢。

1.3.1 噴涂前驗(yàn)收

零件表面不應(yīng)有嚴(yán)重油污以及劃痕、裂紋、殘留焊藥或孔洞等缺陷。

1.3.2 除油

依次用丙酮和酒精對待噴涂表面進(jìn)行除油，清洗后在3 h內(nèi)進(jìn)行噴涂。

1.3.3 吹砂

采用膠帶、膠皮或?qū)Ｓ霉ぱb等對零件的非吹砂區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。在0.42～0.55 MPa的風(fēng)壓下，采用直徑d為250～325 μm(45～60目)的氧化鋁吹砂，不允許砂粒滯留在任何部位。吹砂后，待噴涂表面粗糙度應(yīng)為Ra(3.0～3.8)μm，為均勻無光澤表面。

1.3.4 酸洗和鈍化

經(jīng)過噴丸的鈦合金零件依次進(jìn)行酸洗和鈍化，未經(jīng)噴丸的鈦合金零件只進(jìn)行酸洗。

1)酸洗溶液及參數(shù)。150～450 mL/L的HNO3(ρ=1.40 g/mL)，20～100 mL/L的HF(40%)，θ=18～45 ℃，t=2～15 min[6]。

2)鈍化溶液及參數(shù)。450～560 mL/L的HNO3(ρ=1.40 g/mL)，θ=49～54 ℃，t=10～20 min。

1.3.5 保護(hù)及裝夾

使用噴涂用耐熱膠帶或?qū)Ｓ霉ぱb等對零件非噴涂部位進(jìn)行保護(hù)。將零件裝夾在合適的夾具上，將夾具安裝至可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)臺(tái)上。若零件可直接安裝至轉(zhuǎn)臺(tái)上，允許不使用夾具。

1.3.6 噴涂

1)噴涂前將噴涂粉末在100 ℃烘箱中至少保溫2 h。

2)噴涂性能試樣時(shí)，噴涂角度應(yīng)與實(shí)際零件的噴涂角度相同，一般保持在90°±5°，特殊情況下最小噴涂角度應(yīng)≥45°。若零件噴涂時(shí)需旋轉(zhuǎn)，其性能試樣噴涂時(shí)應(yīng)采用與零件噴涂相同的旋轉(zhuǎn)速度和噴槍移動(dòng)速度。

3)性能檢測項(xiàng)目全部合格的情況下才能開始零件的噴涂。

4)噴涂開始前應(yīng)對零件預(yù)熱，溫度不超過120 ℃。在噴涂過程中，鈦合金零件基體溫度不應(yīng)超過148 ℃。噴涂工藝參數(shù)：氧氣680 L/min，煤油18 L/h，噴涂距離320 mm，送粉量60 g/min，送粉百分率14%，送粉攪拌輪轉(zhuǎn)速60 r/min。

1.3.7 檢驗(yàn)

涂層表面應(yīng)均勻、連續(xù)，無片狀剝落、散裂、碎屑、氣泡、翹皮或可見的裂紋；涂層表面粗糙度應(yīng)≤Ra3.2 μm；涂層厚度應(yīng)符合工藝文件的規(guī)定。

1.3.8 磨削

選用金剛石砂輪，磨料直徑d為61～80 μm(180～240目)，外圓面的線速度為24～32 m/s，工件表面線速度為0.3～0.5 m/s，粗磨進(jìn)給量為0.02 mm，精磨進(jìn)給量為0.005 mm，磨削后涂層表面粗糙度應(yīng)≤Ra0.8 μm[7]。

1.3.9 終檢

磨削后的涂層表面應(yīng)均勻、連續(xù)，無可見的裂紋；涂層表面粗糙度應(yīng)≤Ra0.8 μm；涂層厚度應(yīng)符合圖樣的規(guī)定。

1.4 檢測要求

1)結(jié)合力。試樣涂層面向外，繞直徑φ12.7～φ13 mm的棒彎曲成180°，彎曲速度為8°/s～10°/s，涂層主要部分不應(yīng)出現(xiàn)剝落或與基體分離，但涂層裂紋和距離試樣邊緣2 mm內(nèi)出現(xiàn)的少量剝落應(yīng)視為合格。

2)顯微硬度。按照GB/T 4342—1991《金屬顯微維氏硬度試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)載荷為300 g，載荷保持時(shí)間為15 s。測試涂層截面上均勻分布的10個(gè)以上點(diǎn)，顯微硬度≥950 HV300為合格。

3)金相組織。允許從顯微硬度試樣上取樣，試樣應(yīng)垂直于涂層與基體界面方向切割，切割后的試樣經(jīng)清理后鑲樣，試樣研磨和拋光時(shí)盡量保持涂層處于受壓狀態(tài)，拋光需要使用金剛石拋光膏或金剛石噴霧劑。涂層金相要求見表2。表2中，氧化物、孔隙率、界面污染物和外來顆粒這4項(xiàng)的數(shù)據(jù)是所觀察區(qū)域面積上的最大允許百分比。

表2 涂層金相要求

4)按GB/T 8642—2002《熱噴涂 抗拉強(qiáng)度的測定》測試涂層結(jié)合強(qiáng)度，≥70 MPa為合格；如果出現(xiàn)<70 MPa的膠斷，則應(yīng)重新膠粘試樣并測試；出現(xiàn)<70 MPa的涂層破壞，為不合格。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工藝對比

工藝1與工藝2的主要差別是前處理方式不同，工藝1對鈦合金的前處理采用吹砂方式；工藝2采用酸洗和鈍化的方式。2種前處理方式在除去鈦合金表面鈍化膜、活化基體，提高涂層與基體結(jié)合力這方面的作用是一致的，從試驗(yàn)結(jié)果看均滿足要求。但從實(shí)施過程來看，吹砂較酸洗和鈍化工藝簡單，無氫脆風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對環(huán)境的污染相對易于控制。

2.2 結(jié)合力

采用彎曲法進(jìn)行結(jié)合力檢驗(yàn)，按2種工藝噴涂的試樣涂層均未出現(xiàn)剝落或與基體分離現(xiàn)象，結(jié)合力合格，外觀如圖1所示。研究表明，鈦合金噴涂前處理采用吹砂或酸洗和鈍化均能除去其表面氧化膜，有利于提高涂層的結(jié)合力[8]。

a)工藝1結(jié)合力試樣

2.3 顯微硬度

檢測試樣涂層截面上均勻分布的12個(gè)點(diǎn)，工藝1涂層最小顯微硬度為987 HV300，工藝2涂層最小顯微硬度為1 004 HV300，均>950 HV300的要求，硬度合格。

2.4 金相組織

使用奧林巴斯BX41M顯微鏡觀察涂層，按工藝1和工藝2涂層性能指標(biāo)均符合表2的要求，金相組織合格(見圖2)。分析認(rèn)為：涂層組織主要受噴涂粉末及噴涂工藝影響，2種不同工藝處理的鈦合金采用同一種噴涂粉末和相同工藝噴涂的涂層金相組織很接近，符合理論預(yù)測。另外，吹砂后待噴涂表面粗糙度為Ra(3.0～3.8)μm，較酸洗和鈍化表面粗糙，在金相組織中也有所顯示。

a)工藝1金相試樣

2.5 結(jié)合強(qiáng)度

按GB/T 8642測試涂層結(jié)合強(qiáng)度，工藝1涂層結(jié)合強(qiáng)度為81、79和82 MPa；工藝2涂層結(jié)合強(qiáng)度為78、76和74 MPa。2種工藝涂層的結(jié)合強(qiáng)度均>70 MPa為合格。可以認(rèn)為，2種工藝制得的涂層在結(jié)合強(qiáng)度方面沒有本質(zhì)差別。

3 零件的噴涂

按工藝1、工藝2各噴涂4件零件(見圖3)送相關(guān)單位進(jìn)行功能試驗(yàn)，結(jié)果表明：對Ti55531鈦合金采用2種不同前處理方式制得的WC-10Co4Cr涂層，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

a)工藝1噴涂零件 b)工藝2噴涂零件

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)Ti55531鈦合金噴涂WC-10Co4Cr時(shí)，前處理采用吹砂或酸洗和鈍化的方式，涂層性能均滿足要求。

2)對Ti55531鈦合金超音速噴涂WC-10Co4Cr，極大地改善了其表面硬度，提高了耐磨性，擴(kuò)寬了使用范圍，應(yīng)用前景廣闊。

3)鈦合金超音速噴涂WC-10Co4Cr相對于鍍硬鉻對環(huán)境的污染小，有替代鍍硬鉻的趨勢。