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性能提高12倍,零件表面銹蝕防護方案,很實用的技術

嘉峪檢測網        2019-08-23 11:47

我廠生產的某沖壓渦輪是空中加油機加油吊艙的動力裝置,其可變槳距的沖壓渦輪直接驅動離心燃油泵,提供液壓動力與壓力燃油,以完成軟管放出、燃油輸送、軟管回繞等空中加油的技術動作。

 

由于沖壓渦輪無潤滑系統,而裝配時采用的潤滑油脂在高速旋轉產生的離心力作用下甩出,起不到長期潤滑防護作用。以前經500h/5年飛行后返廠的渦輪葉片安裝座、軸承等部件銹蝕嚴重,只能全部報廢、更換,根本無法保證安全飛行1000h/10年的使用要求。因此,為確保此類沖壓渦輪延壽工作的順利進行,必須提高葉片安裝座(含滾珠及軸承內外環)等部件的表面防護能力。

 

1.零件結構特點及防護方案

由于葉片安裝座、軸承滾子、滾珠及軸承內、外環本身的工作面表面粗糙度值低于Ra=0.2μm,尺寸精度和零件間配合尺寸的要求都很高,防護層不允許有厚度;且軸承零件分別由組織不穩定的GCr15材料及表面滲碳的18Cr2Ni4WA材料加工而成,處理溫度必須小于150℃。因此,我分廠有關技術人員經過充分調研和討論,初步擬定以下3套備選方案,建議經可行性論證及試車考核后,擇優選用。

 

(1)零件表面離子注入防護、耐磨材料

離子注入技術是近年才發展起來的一項先進表面處理技術,主要作為提高零件的表面防護和耐磨性能。由于該技術是在常溫真空條件下,對需處理零件的表面以離子態注入氮化鉻(CrN)等物質,不會造成零件變形,不影響零件的尺寸精度,零件表面硬度高,耐磨性好,可以大幅提高零件的使用壽命,不存在我們所擔心的涂鍍層結合力和氫脆問題。該技術可在復雜零件表面整體或局部均勻進行離子注入,因不需要改變零件設計尺寸,零件也不需要進行滲碳處理。經離子注入的零件表面防護性能優越,可以確保葉片安裝座及其軸承內、外環等零件在較惡劣條件下長期使用。缺點是該技術的使用成本較高,預計處理一套軸承的成本約1000~2000元,但由于可以省去滲碳工序,成本增加不多,且技術成熟,航空系統已有多家運用。

 

(2)零件表面進行化學鍍鎳保護

該方案可選鍍薄鎳和厚鎳,薄鎳是在零件表面鍍鎳0.05~1.0mm以保護基體,不進行二次加工,但零件仍需要進行滲碳處理,鍍層與滲透面的結合力有一定影響,防護效果和耐磨性略差,優點是工藝尺寸可以不進行改動,相對成本增加較少。厚鎳是在需防護、耐磨的零件表面鍍一層數十微米以上的化學鎳,在250℃以上進行熱處理,然后進行精加工,軸承內、外環及葉片安裝座材料(18Cr2Ni4WA)可以進行250℃熱處理,因存在顯微應力變形問題,對要求很高的軸承內、外環需要二次精加工。但軸承滾珠因材料(GCr15)組織的不穩定性,不能進行高溫熱處理,相對硬度低些,耐磨性略有影響,厚鎳相對成本較高,主要是加工周期長。優點是化學鍍鎳層致密,結合力好,防護性能優越,鍍厚鎳零部件需要進行滲碳處理,但要求工藝預留鍍層尺寸。

 

(3)鍍犧牲性陽極進行電化學保護

在零件非工作面進行鍍鋅處理,對零件進行陽極保護,會有一定的效果,但難以保證渦輪10年翻修壽命,由于此方案成本低廉、可操作性強,對改善現狀是有一定的意義。

綜合以上3種表面防護工藝的優缺點,離子注入是目前行之有效的首選方案。

 

2.離子注入技術

目前,世界上直升機制造技術比較先進的主要有美國、意大利、俄羅斯、法國、英國、日本、德國等發達國家。其中在直升機傳動系統的軸承領域中,代表當今制造技術水平的典型機種有RAH-66(科曼奇)、V-22(魚鷹)、卡-50、米-28、“虎”、A129、NH90等。這些國家為了提高航空軸承的耐腐蝕、抗磨損性能和無油潤滑運轉能力,在傳動系統的軸承上均采用特殊工藝做了表面處理。以美國海軍實驗室為例,早在1979年就開始研究用Cr離子注入技術對軸承進行表面改性,以此來提高軸承的耐腐蝕和抗磨損性能。他們利用離子注入改性過的軸承,已經用于飛機發動機和齒輪箱的軸承上。英國也早在70年代就開始利用離子注入技術提高軸承的壽命。

1995年,位于英國的NSK-RHP歐洲軸承研究中心也發表了他們的研究成果。在模擬飛機起飛時燃氣輪發動機主軸軸承的工作條件下,用Cr離子注入使發動機主軸軸承(M50鋼)的防腐性能有很大改善 。

國內不少高等學校、研究院所和有關企業,也都曾用離子注入技術對軸承鋼材料進行了有關改善摩擦磨損和耐腐蝕等性能方面的研究,在軸承使用壽命方面也取得了很好的效果。

 

3. 技術要求

為了滿足零件的安全使用需求,保證零件原有的工作性能,提高零件的耐腐蝕性能,離子注入必須滿足以下技術指標:

①離子注入層能承受的工作溫度為-45℃~150℃。

②不改變零件的狀態和幾何尺寸。

③離子注入層與基體的結合力好,工作不剝落。④離子注入層的均勻性≥85%,不改變表面粗糙度。

⑤離子注入層的表面顯微硬度大于1000HK。

⑥經離子注入試樣的防腐性能較未進行離子注入(現狀)的提高15倍以上;軸承經臺架磨合試驗后,較未進行離子注入的軸承提高5倍以上(按GB5938-1986或GB/T10125進行鹽霧腐蝕試驗)。

 

4. 技術措施及方法

在用離子注入技術改善葉片安裝座、軸承的耐腐蝕性能方面,我廠與高校、院所合作,對相關材料的試片分別注入Ta、TaN、Cr和CrN等,并應用鹽霧試驗對離子注入試片進行防護性能檢測。根據試片防護性能檢測情況,選擇在零件表面分別注入Ta、TaN、Cr和CrN等元素進行磨合,并對注入零件進行鹽霧試驗防護性能檢測,綜合比較,擇優選用。

 

(1)鹽霧試驗條件

溫度35℃,(5%±1%)NaCl溶液,鹽溶液pH值為6.5~7.2,鹽霧沉降率為1.0~2.0ml/80cm2·h。

 

(2)試驗周期

連續噴霧8h,靜置16h作為一周期。

 

(3)評級標準

根據GB/T6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經腐蝕試驗后的試樣和試件評級》進行評級。

 

(4)試驗結果

試片防護性能檢測結果顯示:①相關材料的試片經以離子態注入Ta,通過鹽霧試驗檢測,防護性能提高近15倍。②相關材料的試片經以離子態注入Ta和TaN,通過鹽霧試驗檢測,防護性能分別提高近15倍和10倍。③相關材料的試片經以離子態注入CrN,通過鹽霧試驗檢測,防護性能提高近20倍。

 

零件防護性能檢測結果表明:注入Ta、TaN、Cr和CrN都能使葉片安裝座及軸承的耐腐蝕性能提高10倍以上。其中CrN除了能大幅提高耐腐蝕性能以外,其表面顯微硬度和抗磨性能也得到明顯提高。這對于既需要耐蝕,又要求耐磨的葉片安裝座、航空軸承來說是很重要。

 

5.結語

(1)渦輪零件相關材料的試片經離子注入CrN,防護性能提高近20倍,明顯優于注入其他元素。

(2)渦輪相關零件經離子注入CrN防護性能提高近12倍,明顯優于注入其他元素。

(3)同種材料,經相同的處理,試片的防護性能優于零件的防護性能,原因是零件結構復雜,表面易沉積溶液,致使零件表面孔蝕加劇,腐蝕加快。同時,由于零件的結構復雜,為使零件注入面均勻,需不停的旋轉零件,這導致在相同的注入時間內零件注入面厚度要比試片薄,使零件的防護性能相對較低。

(4)沖壓渦輪葉片安裝座、軸承等零件離子注入CrN后,大幅度提高了耐腐蝕性能,同時其表面顯微硬度和抗磨性能也得到明顯提高,能夠滿足飛行1000h/10年的使用要求。

作者:牟宗平

 

單位:常州蘭翔機械有限責任公司

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來源:牟宗平、熱處理生態圈

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