基于超音速火焰噴涂的飛機燃油泵電機轉軸修復技術研究

陳宇鵬， 謝楚炎， 杜鵬程， 張 巖， 高名傳

(1.凌云科技集團有限責任公司， 湖北 武漢 430030；2.中國機械總院集團武漢材料保護研究所有限公司， 湖北 武漢 430030；3.特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室， 湖北 武漢 430030)

0 前 言

戰機在服役過程中，零部件受復雜力和環境載荷的作用產生腐蝕、磨損或疲勞裂紋等損傷，影響飛行安全以及作戰性能發揮。 直接更換受損零部件將造成巨大的物料浪費和經濟損失。 采用表面工程技術對航空零部件進行維修和再制造，準確恢復廢舊產品的尺寸，提升零部件表面耐磨、抗蝕等性能，對于提升資源利用率，降低使用和維護成本具有重要的意義[1-3]。

超音速火焰噴涂(High Velocity Oxy-Fuel，HOVF)是一種重要的增材制造技術，其利用工業純氧與煤油混合燃燒產生高溫、高速焰流為噴涂粒子提供較高的飛行速率和相對較高的溫度，特別適合噴涂WC 涂層等金屬陶瓷涂層材料以提升零部件的耐磨、耐蝕性能[4]。 馬寧等[5]利用超音速火焰噴涂技術在裝載機驅動橋差速器的十字軸表面噴涂WC-12Co 涂層，恢復了軸的直徑尺寸，并大大改善了十字軸的耐磨性。 王耀芳等[6]采用超音速火焰噴涂超細WC-Co 涂層修復煤磨機齒輪軸，WC-Co 噴涂層的硬度顯著高于電鍍層的，耐磨性大幅提升，修復后軸承經裝機使用1 a 沒有出現明顯磨損。 然而WC 涂層的耐磨性與涂層的顯微結構，即與涂層的噴涂工藝密切相關。 較高的涂層硬度、致密度和斷裂韌性均有助于提升涂層的耐磨性能[7]。在修復操作中需明確涂層的最佳工藝參數，掌握最佳的修復及再制造工藝。

電動離心式燃油泵是飛機燃油系統關鍵部件，起到輸送燃油，平衡飛機燃油重量的重要功能。 電動機在7 600 r/min 的高速旋轉下，電機轉軸與配合的皮碗橡膠高速摩擦，導致轉軸工作面的磨損和破壞，嚴重時導致密封性能完全失效。 本工作采用超音速火焰噴涂技術在電機轉子軸2Cr13 不銹鋼基體表面噴涂WC 硬質合金涂層，通過改變噴涂煤油流量掌握噴涂粒子速度和溫度對涂層組織結構的影響規律，并獲取最佳的噴涂工藝參數。 將超音速火焰噴涂修復技術應用于電機轉子軸修復，成功實現了電機轉子的再制造。

1 試 驗

1.1 試驗材料及噴涂工藝

基體材料為與轉子軸相同的2Cr13 不銹鋼，噴涂試驗之前，用丙酮清洗基體表面，經噴砂處理后，用壓縮空氣清洗基體表面殘余砂礫。 噴涂粉末為商用WC-12Co 粉末，粉末粒度35 ～53 μm。 為避免粉末的團聚，噴涂前粉末在120 ℃下保溫1 h。 采用GTV K2 型超音速火焰噴涂系統在2Cr13 基體表面噴涂300 μm WC-12Co 涂層，以Ar 氣作為送粉氣體。 氧氣流量取850 L/min，煤油供油流量分別取15，20，25 L/h，噴涂距離360 mm。 采用GTV NIR-Sensor 熱噴涂在線檢測系統(圖1)測試噴涂粒子的溫度和速率。

圖1 NIR-Sensor 熱噴涂在線檢測系統示意Fig.1 NIR-Sensor thermal spray online detection system

1.2 性能表征

采用WHV-1000AMT 觸摸屏自動轉塔數顯顯微維氏硬度計測量涂層的顯微硬度，載荷為2.94 N，保壓10 s，取10 次測量的平均值。 依據GB/T8642“熱噴涂 抗拉結合強度的測定”，采用拉伸法測試涂層的結合強度，采用E7 膠進行粘接、固化，取3 組試樣的平均值[8]。

采用WHV-50MDX 型宏觀維氏硬度計在涂層截面測試涂層的斷裂韌性，加載載荷49 N，加載時間15 s，使用DMI8-C 徠卡金相顯微鏡對壓痕及裂紋進行拍照。采用公式(1)[9]計算涂層的斷裂韌性，式(1)需滿足0.6＜c/a＜4.5，公式如下:

式中，KIC為斷裂韌性，MPa·m1/2；P為施加載荷，N；a為壓痕對角線半長，μm；c為壓痕中心至裂紋尖端長度，μm。

采用MXW-1 型多功能摩擦磨損試驗機測試基體及涂層的摩擦學性能，摩擦副選用Si3N4陶瓷球。 試驗前WC-12Co 涂層樣品依次采用200，600，800，1 000 號砂紙打磨后拋光。 測試條件為干摩擦、載荷100 N、頻率2 Hz、振幅為4 mm，時間為60 min。 試驗結束后采用白光共聚焦三維形貌測試儀分析磨痕的形貌及磨痕深度。 通過Origin 軟件積分求得磨痕橫截面積和體積來計算比磨損率。 比磨損率計算公式(2) 如下:

式中，V為磨痕體積，mm3；f為滑動頻率，Hz；t為磨損時間，s；s為往復行程，mm；F為施加的載荷，N。

2 結果與討論

2.1 噴涂粒子的溫度及速率

Tillmann 等[10]測試了不同煤油和氧氣流量下的粒子溫度和速率，在煤油流量和氧氣流量2 個噴涂參數中，煤油流量是影響粒子溫度和速率最為重要的因素。圖2 為采用NIR-Sensor 熱噴涂在線檢測系統測試的氧氣流量為850 L/min(下同)、不同煤油流量噴涂的WC-12Co 噴涂粒子的溫度和速率。

圖2 噴涂粒子速率和溫度測試結果Fig.2 Test results of spraying particle velocity and temperature

由圖2 可知，隨著煤油流量從15 L/h 增大至20 L/h和25 L/h，噴涂粒子的溫度從約1 360 ℃分別增大至1 630 ℃和1 858 ℃，粒子的速率從578 m/s 分別增大至690 m/s 和777 m/s。 當氧氣的流量不變時，煤油流量的增大導致了燃燒室內部壓力增大，燃氣量增多，由拉瓦爾管引出的焰流速率和溫度均顯著提升。 在高速焰流的牽引和加熱作用下，噴涂粒子的速率和溫度均有明顯地增大。 通常用λ 值表示燃料和氧氣的比例，該比例越大，噴涂粒子的速率和溫度越高，制備的涂層越致密，反之，涂層越疏松[11]。

2.2 涂層的顯微結構及孔隙率

圖3 和圖4 分別為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的微觀結構以及孔隙率。 由圖3、圖4 可知，煤油流量為15 L/h 時，涂層內部含有數量較多、孔徑明顯且連續的微孔洞，直徑約為2～3 μm，涂層孔隙率約為5.0%；當煤油流量增大至20 L/h 時，涂層內部孔隙數量及孔隙直徑均明顯降低，直徑＜1 μm，涂層孔隙率降低至2.9%；煤油流量為25 L/h 時，涂層結構致密，無明顯孔隙存在，涂層孔隙率降低至0.7%。 該孔隙率的變化趨勢與噴涂粒子速率和粒子溫度的變化趨勢一致。 煤油流量為15 L/h 時，WC-12Co 粒子溫度約為1 360 ℃，低于金屬Co 的熔點1 490 ℃[12]，此時噴涂粒子尚處于軟化狀態，涂層孔隙率較高，但在粒子高速沖擊作用下涂層仍具有相對較低的孔隙率，且涂層內部沒有觀察到未熔融顆粒特征。 當煤油流量為20 L/h 和25 L/h 時，噴涂粒子溫度為1 630 ℃和1 858 ℃，超過Co 的熔點，噴涂粒子處于完全融化狀態。 在高速沖擊作用下，涂層獲得了較低的孔隙率，且粒子速率越大，涂層孔隙率越低。 Pasandideh-Fard 等[13]的研究同樣表明，噴涂粒子的速率在降低涂層孔隙率方面起主導作用。

圖3 不同煤油流量涂層的顯微結構Fig.3 Microstructureof the coating with different kerosene flow rate

圖4 不同煤油流量涂層的孔隙率Fig.4 Porosity of the coating with different kerosene flow rate

2.3 涂層的力學性能

圖5 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的顯微硬度與孔隙率對應關系。 由圖5 可以看出， WC-12Co涂層的孔隙率為5.0%、2.9%和0.7%時對應的涂層硬度分別為705 HV0.3、890 HV0.3和1 125 HV0.3，涂層的孔隙率越大，涂層的硬度越低。 對于WC 涂層，影響涂層硬度的因素有WC 的分解和孔隙率， 在2.94 N 的載荷下，上述以煤油流量15、20、25 L/h 噴涂的3 種涂層壓痕尺寸約為20 ～35 μm，根據圖3 金相形貌顯示，該壓痕尺寸能夠覆蓋大部分的孔隙，因此在材料相同的情況下孔隙率是影響涂層顯微硬度的主要因素[14]。

圖5 涂層的顯微硬度與孔隙率關系Fig.5 Microhardness of the coating is related to the porosity

采用宏觀維氏硬度計在涂層表面施加49 N 載荷，經測量，以煤油流量15、20、25 L/h 噴涂WC-12Co 涂層的裂紋長度分別為202、168、136 μm。 根據公式(1)計算求得涂層斷裂韌性(見圖6)分別為3.69、4.35、5.15 MP·m1/2。 圖7 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的裂紋擴展形貌。 從圖7 可知，15 L/h 的煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的裂紋在壓頭尖端附近產生，并沿孔隙擴展(圖7b)。 孔隙往往是粒子的弱結合部位，在壓力載荷的驅動下，裂紋易在孔隙間產生[15]。 以20 L/h和25 L/h 煤油流量噴涂涂層的裂紋產生于壓痕尖端，或尖端附近的孔隙，并在壓力載荷的驅動下沿黏結相擴展(圖7b、7c)。 由此可知，涂層的孔隙率越高，涂層的韌性越低，在外界應力的作用下涂層越容易產生裂紋，進而導致涂層的失效[16，17]。

圖6 不同煤油流量涂層的斷裂韌性Fig.6 Fracture toughness of the coating with different kerosene flow rate

圖7 不同煤油流量的涂層裂紋擴展形貌Fig.7 Indentation morphology of the coating with different kerosene flow rate

圖8 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的結合強度測試結果。 從圖8 可知，以煤油流量15、20、25 L/h噴涂WC-12Co 涂層與基體的結合強度分別為48、55、74 MPa。 根據圖2 給出的結果，煤油流量越高噴涂粒子的速率和溫度越高。 均高于以較低煤油流量噴涂的涂層的，噴涂粒子與噴砂表面的“咬合”作用強，涂層與基體的結合力大。 相關的研究結果同樣證明，噴涂粒子速率越高，涂層的結合力越大[18]。

圖8 不同煤油流量涂層的結合強度Fig.8 Adhesion strength of the coating with different kerosene flow rate

2.4 涂層的磨損性能

圖9 為不同煤油流量噴涂WC-12Co 涂層的磨痕輪廓及比磨損率。

圖9 不同煤油流量涂層的磨痕輪廓和比磨損率Fig.9 Outline abrasion and specific wear rate of the coating with different kerosene flow rate

從圖9a 可以看出，煤油流量為25 L/h 時涂層的磨痕面積最小，磨痕深度約為4.1 μm；煤油流量降至20 L/h 和15 L/h 時涂層的磨痕面積逐漸增大，磨痕深度分別增大至6.7 μm 和9.3 μm。 由圖9b 可知，隨著涂層硬度的降低，涂層的磨損量增大，煤油流量為25、20、15 L/h 時涂層的比磨損率分別為1.6×10-8、3.5×10-8、5.2×10-8mm3/(N·m)。 影響涂層磨損性能的因素有涂層硬度、孔隙率、斷裂韌性等參數[7]。 煤油流量為15 L/h 時涂層的孔隙率最大，硬度和斷裂韌性均最小，由于摩擦副接觸中涂層容易產生裂紋，導致硬質顆粒的剝落。 煤油流量增大至25 L/min 時，涂層的硬度增大，孔隙率降低，硬質相粒子結合緊密，由于涂層與摩擦副的摩擦過程中硬質相與Co 黏結相難以脫落，因此磨損量小。

綜上所述，通過調節噴涂的燃料/氧氣的比例可以調控噴涂粒子的溫度和速率，進而掌握涂層組織結構以及力學性能的變化規律。 摩擦磨損試驗結果表明，較高的涂層硬度和斷裂韌性有助于提升涂層的耐磨性能，進而指導噴涂工藝設計。 以850 L/min 的氧氣流量和25 L/h 的煤油流量噴涂的WC-12Co 涂層，其力學性能優異，結構致密，可作為電機轉子軸的修復工藝參數。

3 電機轉子軸修復應用

采用砂輪對修復部位進行打磨，去除磨損痕跡，磨削后允許最小直徑尺寸不低于φ6.9 mm。 對修復部位表面進行噴砂處理，噴砂清潔度達Sa3.0 級，粗糙度Rz不低于20 μm。 采用GTV K2 型超音速火焰噴涂系統在電機轉子軸修復部位表面噴涂350 μm 的WC-12Co涂層，氧氣流量取850 L/min，煤油流量25 L/h，噴涂距離360 mm。 噴涂處磨外圓至φ7.4 ～7.5 mm，跳動量不大于0.02 mm，表面粗糙度Ra不大于0.2 μm。 修復后的電機轉子放入烘箱中進行回火處理，回火溫度(140±10) ℃，時間不少于3 h。 對加工部位進行磁粉探傷，無裂紋。

對修復后的電機轉子進行裝機試驗，分別運行300 h 和1 000 h。 測量修復部位的直徑變化，運行300 h 和1 000 h 修復部位直徑減少量分別為0.013 mm 和0.010 mm，僅表現為輕微擦傷，密封性能良好，滿足使用要求。

4 結 論

采用超音速火焰噴涂的方法，通過調控煤油流量獲得了噴涂粒子速率和溫度變化規律，掌握了電機轉子軸超音速火焰噴涂修復工藝方法，具體結論如下:

(1)煤油流量為25 L/h 時噴涂粒子速率最大、溫度最高，制備的涂層其孔隙率最低，硬度和斷裂韌性最大，涂層的結合強度最高。 摩擦學試驗表明涂層結構越致密、硬度越高，涂層的耐磨性能越好；

(2)采用超音速火焰噴涂WC-12Co 涂層對轉子軸進行修復，恢復了其尺寸。 轉子軸運行300 h 和1 000 h 后表面僅有輕微擦傷，使用壽命顯著提升。