论文部分内容阅读
摘要：本文针对某型机尾桨轴与轴承、齿轮接合面处存在严重磨损的问题，提出了三种可行的提高轴类钢制件表面耐磨能力的方案，分析出超音速喷涂碳化钨是最合适该型机尾桨轴磨损处的表面处理方案。并对超音速喷涂碳化钨在国内外的应用情况进行了简单介绍与展望。
关键词：尾桨轴；表面处理；超音速喷涂碳化钨
1引言
某型直升机尾减采用一体化尾桨轴设计，尾桨轴是该型直升机的关键件，主要作用是将尾减的功率传递给尾桨，其具有直径大、跨度长的特点，在工作过程中承受较大的弯矩和扭矩。
该原型机在飞行一段时间后大修检查中，发现尾桨轴与轴承、齿轮接合面存在严重微动磨损，而与之相配的轴承内环及齿轮无磨损现象，经对比发现轴承内环和齿轮的材料硬度略高于尾桨轴材料硬度。尾桨轴的磨损会影响到减速器的使用寿命，因此，需提高尾桨轴磨损区域表面的耐磨能力，对其进行强化处理。
2轴类钢制件几种表面处理方法
该型号的尾桨轴材料为15-5PH钢，其硬度为320HV左右，是一种马氏体沉淀硬化不锈钢。此材料虽具有良好的比强度，但同时具有表面缺口敏感性，必须采取适当的工艺进行表面保护，以提高表面耐磨能力。在直升机传动系统上利用表面工程技术提高钢制件表面耐磨能力的方法较多，常用的方法有：表面渗碳、表面渗氮、化学镀镍、电镀硬铬、爆炸喷涂碳化钨、超音速喷涂碳化钨等。但根据15-5PH尾桨轴在工作过程中存在载荷及应变较大的特点，在该尾桨轴工作状态下能较大程度提高钢制件表面硬度和耐磨能力的有电镀硬铬、爆炸喷涂碳化钨、超音速喷涂碳化钨方法。下面就这三种表面处理方式及其镀层性能进行介绍。
2.1电镀硬铬
铬是一种带微蓝色调的银白色金属。铬镀层化学稳定性好，在大气环境中能长期保持光泽而不变色。电镀硬铬层硬度较高，有一定的耐磨性和耐蚀性，工艺比较简单，成本较低，应用非常广泛。
钢制件电镀硬铬工艺流程：吹湿砂—碱性除油—热水洗—冷水洗—活化—冷水洗—镀铬—除氢[1]。
电镀硬铬的主要特点是：所得到的镀层为厚度为：0.01～1mm，硬度为HV800-900，孔隙率低，镀硬铬的镀层沉积速度慢，生产效率低，镀层易不均，加大后续加工难度。且有学者对钢制件电镀硬铬后进行了中性盐雾耐腐蚀性试验，其耐腐蚀时间不足10h[3]。
2.2 爆炸喷涂碳化钨法
对于直升机传动系统关键件的防护涂层国内外进行了大量研究。耐磨碳化钨涂层的研究结果表明其具有耐磨性好、耐蚀性好、无氢脆问题、工艺环保、工艺周期短等优点。目前，耐磨碳化钨涂层的制备工艺主要是超音速火焰喷涂、爆炸喷涂[1]。
爆炸喷涂技术产生于20世纪50年代中期，先由美国R.M.Poorman等人将燃气爆炸冲击波引入热喷涂领域。该技术在美国联合碳化物公司得到完善和改进，研制出了性能极好的碳化钨涂层，并成功地应用在重要机械设备的关键部件上。但该技术一直处于保密状态，直到20世纪80年代才逐步扩散到世界各地[1]。爆炸喷涂的特点是涂层与基体结合强度高，涂层孔隙率小，工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。
钢制件爆炸喷涂碳化钨后膜层性能最重要的特点是：结合强度高，硬度高，涂层性能优于镀硬铬、等离子喷涂等其他喷涂方法，但此方法噪音污染过大。主要性能如下：膜层厚度为磨前厚度：<0.3mm，磨后厚度：0.10～0.15mm；硬度为1000HV以上，孔隙率小于0.1%，结合强度为75MPa以上，该涂层粗造度在Ra0.8～Ra1.6μm之间，在合适的抛光条件下可达到Ra0.025μm。
2.3 超音速喷涂碳化钨（HVOF）
超音速喷涂是20世纪80年代初期由美国的Browning先生开发的。最先商品化的产品是Jet-Kote Ⅱ[2，3]。由于它的焰流速度可达3倍音速以上，所以用这种方法可得到非常致密，结合强度高，热应力小的涂层。因此，引起人们的广泛关注，并在近年来得到进一步改进后，在工业上得到了越来越广泛的应用。
采用超音速喷涂工艺制作的涂层与基体结合强度高，涂层致密。涂层的残余应力小，可喷涂厚涂层，且火焰温度较低，粒子飞行速度快，所有粉末被氧化的程度低。钢制件表面通过超音速喷涂碳化钨处理后，中性盐雾耐腐蚀性时间可达336h[1]。
超音速喷涂碳化钨最重要的特点是：涂层性能已可与爆炸喷涂媲美，磨碳化钨涂层的研究结果表明其具有耐磨性好、耐蚀性好、无氢脆問题、工艺环保、工艺周期短等优点。主要性能如下：膜层厚度为磨前厚度：<0.25mm，磨后厚度：0.07～0.15mm；硬度为1000HV以上，孔隙率小于0.1%，结合强度为75MPa以上，该涂层在Ra2.5·4μm之间，在合适的抛光条件下可达到Ra0.02μm。
3表面处理方案对比分析
对这三种提高表面耐磨能力的方法进行比较，并针对某型尾桨轴表面实际特点进行分析后发现，这三种方法各有其特点：
1. 电镀硬铬层沉积速度慢，生产效率低，分散和覆盖能力差，镀层不均，增大了后续加工难度。电镀涂层会降低渗碳零件的弯曲疲劳强度（约降低10%），对于承受较大交变载荷的零件，一般不采用镀铬。
2. 爆炸喷涂碳化钨法得到的镀层硬度高（1000HV以上），且与基体的结合强度高，涂层致密，喷涂时工件表面温度低。在美国航空标准AMS 2435在2007版中已不推荐在新设计中采用[4，5]。
3. 超音速碳化钨法得到的镀层硬度高（1000HV以上），与爆炸喷涂碳化钨法相比较，其涂层性能相当，但生产效率约是爆炸喷涂的十倍，降低了生产成本。此外，阿帕奇、CH-46等直升机的主旋翼轴、倾斜器导筒、起落架和其他大部分需要电镀硬铬防护的部件都开始采用超音速火焰喷涂碳化钨涂层来进行防护和强化，满足其耐磨性要求。
经对比分析，从镀层性能上来讲，爆炸喷涂碳化钨和超音速喷涂碳化钨得到的镀层性能优于电镀硬铬的镀层，但从工作条件及工作效率上考虑，超音速喷涂碳化钨无疑更具有优势。通过参照现有型号中已进行超音速喷涂碳化钨零件的使用情况，该方案是最适合提高该型机尾桨轴磨损处耐磨能力的表面处理方案。
4超音速喷涂碳化钨应用与展望
航空工业为满足结构件设计的强度要求而大量使用钢制件，钢制件经超音速喷涂碳化钨表面强化后不仅耐磨且耐腐蚀，这项技术在国外已得到广泛应用，美国近年来在航空发动机部件如压缩机叶片、轴承套等上使用HVOF技术已经基本实现了标准化。英国在气轮机第一级静叶片上使用HVOF技术效果很好，可取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积[4]。
4结束语
本文对某型直升机飞行一段时间后分解检查发现尾桨轴与轴承、齿轮接合面处磨损严重的实际情况，提出了三种可行的提高钢制件表面耐磨能力的处理方案，并对三种表面处理方法在国内外的应用情况、工艺流程、镀层后的膜层性能进行了介绍。得出了超音速喷涂碳化钨是最合适该型机尾桨轴磨损处的表面处理方案。
参考文献：
[1]杨细瑛等.爆炸喷涂技术的现状及应用，焊接技术，2001，4，30（2）
[2]郑毅，郑卫刚等.一种电镀硬铬镀层的替代技术，金属材料与冶金工程，2013，6，41（3）
[3]周克崧，宋进兵，刘敏等.热喷涂技术替代电镀硬铬的研究进展.材料保护，2002，36（12）：1～4.
[4]王志平，刘佳，丁坤英等.HVOF喷涂WC-Co涂层替代电镀硬铬研究.中国民航大学学报，2008，10（26）：145-147.
关键词：尾桨轴；表面处理；超音速喷涂碳化钨
1引言
某型直升机尾减采用一体化尾桨轴设计，尾桨轴是该型直升机的关键件，主要作用是将尾减的功率传递给尾桨，其具有直径大、跨度长的特点，在工作过程中承受较大的弯矩和扭矩。
该原型机在飞行一段时间后大修检查中，发现尾桨轴与轴承、齿轮接合面存在严重微动磨损，而与之相配的轴承内环及齿轮无磨损现象，经对比发现轴承内环和齿轮的材料硬度略高于尾桨轴材料硬度。尾桨轴的磨损会影响到减速器的使用寿命，因此，需提高尾桨轴磨损区域表面的耐磨能力，对其进行强化处理。
2轴类钢制件几种表面处理方法
该型号的尾桨轴材料为15-5PH钢，其硬度为320HV左右，是一种马氏体沉淀硬化不锈钢。此材料虽具有良好的比强度，但同时具有表面缺口敏感性，必须采取适当的工艺进行表面保护，以提高表面耐磨能力。在直升机传动系统上利用表面工程技术提高钢制件表面耐磨能力的方法较多，常用的方法有：表面渗碳、表面渗氮、化学镀镍、电镀硬铬、爆炸喷涂碳化钨、超音速喷涂碳化钨等。但根据15-5PH尾桨轴在工作过程中存在载荷及应变较大的特点，在该尾桨轴工作状态下能较大程度提高钢制件表面硬度和耐磨能力的有电镀硬铬、爆炸喷涂碳化钨、超音速喷涂碳化钨方法。下面就这三种表面处理方式及其镀层性能进行介绍。
2.1电镀硬铬
铬是一种带微蓝色调的银白色金属。铬镀层化学稳定性好，在大气环境中能长期保持光泽而不变色。电镀硬铬层硬度较高，有一定的耐磨性和耐蚀性，工艺比较简单，成本较低，应用非常广泛。
钢制件电镀硬铬工艺流程：吹湿砂—碱性除油—热水洗—冷水洗—活化—冷水洗—镀铬—除氢[1]。
电镀硬铬的主要特点是：所得到的镀层为厚度为：0.01～1mm，硬度为HV800-900，孔隙率低，镀硬铬的镀层沉积速度慢，生产效率低，镀层易不均，加大后续加工难度。且有学者对钢制件电镀硬铬后进行了中性盐雾耐腐蚀性试验，其耐腐蚀时间不足10h[3]。
2.2 爆炸喷涂碳化钨法
对于直升机传动系统关键件的防护涂层国内外进行了大量研究。耐磨碳化钨涂层的研究结果表明其具有耐磨性好、耐蚀性好、无氢脆问题、工艺环保、工艺周期短等优点。目前，耐磨碳化钨涂层的制备工艺主要是超音速火焰喷涂、爆炸喷涂[1]。
爆炸喷涂技术产生于20世纪50年代中期，先由美国R.M.Poorman等人将燃气爆炸冲击波引入热喷涂领域。该技术在美国联合碳化物公司得到完善和改进，研制出了性能极好的碳化钨涂层，并成功地应用在重要机械设备的关键部件上。但该技术一直处于保密状态，直到20世纪80年代才逐步扩散到世界各地[1]。爆炸喷涂的特点是涂层与基体结合强度高，涂层孔隙率小，工件受热小，涂层在制作过程中受空气污染小。
钢制件爆炸喷涂碳化钨后膜层性能最重要的特点是：结合强度高，硬度高，涂层性能优于镀硬铬、等离子喷涂等其他喷涂方法，但此方法噪音污染过大。主要性能如下：膜层厚度为磨前厚度：<0.3mm，磨后厚度：0.10～0.15mm；硬度为1000HV以上，孔隙率小于0.1%，结合强度为75MPa以上，该涂层粗造度在Ra0.8～Ra1.6μm之间，在合适的抛光条件下可达到Ra0.025μm。
2.3 超音速喷涂碳化钨（HVOF）
超音速喷涂是20世纪80年代初期由美国的Browning先生开发的。最先商品化的产品是Jet-Kote Ⅱ[2，3]。由于它的焰流速度可达3倍音速以上，所以用这种方法可得到非常致密，结合强度高，热应力小的涂层。因此，引起人们的广泛关注，并在近年来得到进一步改进后，在工业上得到了越来越广泛的应用。
采用超音速喷涂工艺制作的涂层与基体结合强度高，涂层致密。涂层的残余应力小，可喷涂厚涂层，且火焰温度较低，粒子飞行速度快，所有粉末被氧化的程度低。钢制件表面通过超音速喷涂碳化钨处理后，中性盐雾耐腐蚀性时间可达336h[1]。
超音速喷涂碳化钨最重要的特点是：涂层性能已可与爆炸喷涂媲美，磨碳化钨涂层的研究结果表明其具有耐磨性好、耐蚀性好、无氢脆問题、工艺环保、工艺周期短等优点。主要性能如下：膜层厚度为磨前厚度：<0.25mm，磨后厚度：0.07～0.15mm；硬度为1000HV以上，孔隙率小于0.1%，结合强度为75MPa以上，该涂层在Ra2.5·4μm之间，在合适的抛光条件下可达到Ra0.02μm。
3表面处理方案对比分析
对这三种提高表面耐磨能力的方法进行比较，并针对某型尾桨轴表面实际特点进行分析后发现，这三种方法各有其特点：
1. 电镀硬铬层沉积速度慢，生产效率低，分散和覆盖能力差，镀层不均，增大了后续加工难度。电镀涂层会降低渗碳零件的弯曲疲劳强度（约降低10%），对于承受较大交变载荷的零件，一般不采用镀铬。
2. 爆炸喷涂碳化钨法得到的镀层硬度高（1000HV以上），且与基体的结合强度高，涂层致密，喷涂时工件表面温度低。在美国航空标准AMS 2435在2007版中已不推荐在新设计中采用[4，5]。
3. 超音速碳化钨法得到的镀层硬度高（1000HV以上），与爆炸喷涂碳化钨法相比较，其涂层性能相当，但生产效率约是爆炸喷涂的十倍，降低了生产成本。此外，阿帕奇、CH-46等直升机的主旋翼轴、倾斜器导筒、起落架和其他大部分需要电镀硬铬防护的部件都开始采用超音速火焰喷涂碳化钨涂层来进行防护和强化，满足其耐磨性要求。
经对比分析，从镀层性能上来讲，爆炸喷涂碳化钨和超音速喷涂碳化钨得到的镀层性能优于电镀硬铬的镀层，但从工作条件及工作效率上考虑，超音速喷涂碳化钨无疑更具有优势。通过参照现有型号中已进行超音速喷涂碳化钨零件的使用情况，该方案是最适合提高该型机尾桨轴磨损处耐磨能力的表面处理方案。
4超音速喷涂碳化钨应用与展望
航空工业为满足结构件设计的强度要求而大量使用钢制件，钢制件经超音速喷涂碳化钨表面强化后不仅耐磨且耐腐蚀，这项技术在国外已得到广泛应用，美国近年来在航空发动机部件如压缩机叶片、轴承套等上使用HVOF技术已经基本实现了标准化。英国在气轮机第一级静叶片上使用HVOF技术效果很好，可取代昂贵的低压等离子喷涂层和电子束物理气相沉积[4]。
4结束语
本文对某型直升机飞行一段时间后分解检查发现尾桨轴与轴承、齿轮接合面处磨损严重的实际情况，提出了三种可行的提高钢制件表面耐磨能力的处理方案，并对三种表面处理方法在国内外的应用情况、工艺流程、镀层后的膜层性能进行了介绍。得出了超音速喷涂碳化钨是最合适该型机尾桨轴磨损处的表面处理方案。
参考文献：
[1]杨细瑛等.爆炸喷涂技术的现状及应用，焊接技术，2001，4，30（2）
[2]郑毅，郑卫刚等.一种电镀硬铬镀层的替代技术，金属材料与冶金工程，2013，6，41（3）
[3]周克崧，宋进兵，刘敏等.热喷涂技术替代电镀硬铬的研究进展.材料保护，2002，36（12）：1～4.
[4]王志平，刘佳，丁坤英等.HVOF喷涂WC-Co涂层替代电镀硬铬研究.中国民航大学学报，2008，10（26）：145-147.