一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法

技术领域

本发明属于铝及铝合金表面硬化技术领域，具体涉及一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法。

背景技术

铝及铝合金具有密度小、比强度高等优点，作为自动倾斜器导筒首选的轻量化结构材料，特别是7075高强铝合金在该领域得到了大量的应用，该合金硬度一般不超过200HV，但是该硬度值仍不能满足耐磨性的需求，需要对其进行表面硬化处理。超音速火焰喷涂碳化钨涂层是常用的提高表面耐磨性的方法之一。超音速火焰喷涂的碳化钨耐磨涂层与基体主要是机械结合，常用的处理工艺需先对基体进行喷砂粗化，喷砂增大了基体的比表面积，提高了基体与喷涂涂层的结合性能；同时，喷砂引入的锐角带来了缺口效应，影响了基体的疲劳性能。基体喷砂后再进行超音速火焰喷涂碳化钨耐磨涂层，单一的碳化钨硬质涂层会降低导筒的疲劳性能，在这种喷砂的基体上制备碳化钨涂层会大幅降低疲劳寿命，影响相关部件的安全性。

自动倾斜器导筒是直升机的关键构件，如申请号为201220149023.5的专利《自动倾斜器导筒》和申请号为201710404799.4的专利《自动倾斜器导筒组件和主减速器》中所记载，自动倾斜器导筒在与组件配合工作中，对导筒的疲劳寿命有较高的要求，而导筒基体表面质量对其疲劳性有着显著的影响，单一的喷砂在粗化基体的同时，会给基体表面带来大量的缺陷，引入了大量的尖锐角，破坏基体表面的完整性，进而影响基体的疲劳性能。

喷丸可在材料表面形成一个残余压应力层，是常用的、有效的提高材料疲劳性能的一种手段。但是单一的喷丸又难以获得超音速火焰喷涂所需的粗糙度。

申请号为201310629089.3的专利《铝合金及其复合材料的表面强化方法》中采用先喷砂，再用氢氧化钠水溶液和硝酸溶液中浸泡去除表面喷砂痕迹，最后用喷玻璃丸获得表面压应力层。该方法的目的是采用喷丸处理获得一层具有压应力的硬化层，但由于担心喷丸无法去除塑性成形过程中引入的杂质和缺陷等，故先用喷砂去除塑性成形件上残留的石墨等润滑剂、引入的铁屑等杂质以及折叠和凹坑等缺陷。根据专利附图可知，经过腐蚀后表面存在大量的颗粒状腐蚀产物，而喷丸后将这些颗粒物压入到基体中，引入了缺陷。申请号为201811312997.9的专利《一种提高铝基复合材料表面质量的方法》中采用干式喷砂机对铝基复合材料零件进行喷砂，以清理表面润滑剂、划伤微裂纹等，其后采用研磨的方式去除喷砂面，其后再进行喷丸处理，形成压应力层。上述专利均是采用喷砂去除氧化皮等表层，其后磨削或者腐蚀的方法将该层去掉，其后进行喷丸，以获得具有压应力的硬化层。

申请号为201811208479.2的专利《铝及铝合金耐磨自润滑涂层的制备方法》中采用单一的喷砂、喷丸、抛丸等方式对表面进行粗化，这几种方法无先后顺序，仅是对表面进行粗化处理，获得的粗化面有较大的尖锐角，会降低疲劳性能；也没有对粗化面采用丸料进行修整，来获得既有压应力，有无尖锐角的粗化面，利于基体的疲劳性能。申请号为201810546610.X的专利《一种高疲劳性能钛合金弹簧的制备方法》、申请号为201810546639.8的专利《一种高强度耐疲劳钛合金棒丝材及其制备方法》中采用固溶、时效等方法对钛材进行处理，其后是采用喷砂和/或喷丸的方法在钛件表面获得一层具有压应力的强化层。以上2项专利均是利用喷砂或者喷丸的压力获得有压应力的强化层，这是利用了喷砂和喷丸的基本物理特性，即在高的压缩气体带动下，通过高速的丸(砂)料打击基体表面，可以获得有压力的强化层，这2项专利不涉及粗化面，也不涉及对粗化面进行修整以获得无尖锐角的粗化面。

超音速火焰喷涂碳化钨的硬度约在1000HV左右，而导筒的基体是铝材，铝材的硬度不超过200HV，在软基体上直接喷涂硬质涂层，由于两者之间较大的硬度差，存在“蛋壳效应”，致使导筒喷涂碳化钨涂层在工作中存在压溃的风险；同时，硬质碳化钨涂层容易萌生裂纹，在力的作用下，裂纹扩展至基体而导致导筒失效。因此，研究在软基体和硬质涂层之间制备过渡层，是解决上述问题的方法之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法。该方法将喷砂和喷丸相结合依次对自动倾斜器导筒进行表面处理，获得既有较好粗糙度又具有压应力的粗化面，同时去除喷砂面所获得的尖锐角，避免了缺口效应而使基体疲劳性能下降；在基体与WC-Co涂层之间制备硬度介于两者之间的NiCrAl涂层，NiCrAl涂层作为粘结性层提高涂层与基体的粘结性能，作为金属层阻挡WC-Co涂层中产生的疲劳裂纹向基体中扩展，提高了自动倾斜器导筒基体的疲劳性能，解决了传统喷砂再喷涂碳化钨涂层后大幅降低疲劳性的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对自动倾斜器导筒进行清洗预处理；

步骤二、将步骤一中经清洗预处理后的自动倾斜器导筒放置于装有喷砂料的喷砂机中，利用空气压力将喷砂料经喷枪喷射到自动倾斜器导筒表面进行喷砂处理，然后将经喷砂粗化后的自动倾斜器导筒放置于装有喷丸料的喷砂机中，利用空气压力将喷丸料经喷枪喷射到自动倾斜器导筒表面进行喷丸处理，得到经表面处理后的自动倾斜器导筒；

步骤三、将步骤二中得到的经表面处理后的自动倾斜器导筒固定在超音速火焰喷涂的转动台上，然后采用超音速火焰喷涂NiCrAl涂层，再采用超音速火焰喷涂WC-Co涂层，在自动倾斜器导筒的表面形成硬质涂层。

本发明首先对自动倾斜器导筒进行清洗预处理以去除其表面杂质及油污，然后先喷砂再喷丸，利用喷砂对自动倾斜器导筒表面进行粗化，获得具有较大粗糙度的喷砂面，再利用喷丸对喷砂面进行修整，调整喷砂面的粗糙度及压应力，获得既有较好粗糙度又具有压应力的粗化面，同时去除喷砂面所获得的尖锐角，使得自动倾斜器导筒表面满足后续超音速火焰喷涂所需粗化面的要求，同时避免单一喷砂在粗化表面同时带来大量缺陷、破坏表面完整性的问题，提高了自动倾斜器导筒基体的疲劳性能；然后在经表面处理后的自动倾斜器导筒粗化面上依次采用超音速火焰喷涂NiCrAl涂层和WC-Co涂层，一方面利用NiCrAl涂层作为粘结层与自动倾斜器导筒表面及WC-Co涂层均形成良好的粘结性，提高硬质涂层与基体的结合力，另一方面硬度为500HV左右NiCrAl涂层作为硬度过渡层，在硬度较低的基体与硬度较高的硬质涂层之间发挥过渡作用，降低因基体与硬质涂层的硬度差过大导致的工作中压溃风险，同时NiCrAl涂层对硬度有很好的承载性，能阻挡硬质涂层中的碳化钨裂纹向基体中扩展，降低了硬质涂层对自动倾斜器导筒疲劳性能的不良影响，进一步提高其疲劳性能。

上述的一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法，其特征在于，步骤一中所述自动倾斜器导筒为铝合金材质。

上述的一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法，其特征在于，步骤一所述清洗预处理的过程为：先将自动倾斜器导筒浸没在盛有20℃～30℃、质量浓度0.5％～1％的金属清洗剂溶液的容器中，并置于超声波发生器中进行超声清洗5min～20min，去除后在流动水下冲洗，然后没入盛有无水乙醇的容器中，并置于超声波发生器中进行超声清洗5min～10min，用吹风机吹干。

上述的一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法，其特征在于，步骤二中所述喷砂处理的气压为0.1MPa～0.6MPa，喷枪与工件的距离为50mm～150mm；所述喷丸处理的气压为0.1MPa～0.5MPa，喷枪与工件的距离为50mm～150mm。

上述的一种改善自动倾斜器导筒疲劳性的硬质涂层制备方法，其特征在于，步骤三中所述超音速火焰喷涂NiCrAl涂层的工艺参数为：氧气流量18m

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将喷砂和喷丸相结合依次对自动倾斜器导筒进行表面处理，获得既有较好粗糙度又具有压应力的粗化面，同时去除喷砂面所获得的尖锐角，解决了单一喷砂在粗化表面同时带来大量缺陷、破坏表面完整性的问题，避免了缺口效应，提高了自动倾斜器导筒基体的疲劳性能。

2、本发明采用超音速火焰喷涂在自动倾斜器导筒基体与WC-Co涂层之间增加NiCrAl涂层作为粘结层和过渡层，提高了硬质涂层与基体的结合力，降低了工作中压溃风险，且阻挡硬质涂层中的碳化钨裂纹向基体中扩展，降低了硬质涂层对自动倾斜器导筒疲劳性能的不良影响，进一步提高其疲劳性能。

3、本发明的喷砂和喷丸表面处理对设备要求简单，对应喷砂料和喷丸料选择丰富、可靠性高、制备成本低且制备时间短，适宜推广。

4、本发明采用超音速火焰喷涂NiCrAl涂层和WC-Co涂层可在同一台超音速火焰喷涂设备上完成，处理效率高，运行成本高，适用性强，适于批量的工业化生产。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1中经喷砂处理后的自动倾斜器导筒的表面3D形貌图。

图2为本发明实施例1中经表面处理后的自动倾斜器导筒的表面3D形貌图。

图3为本发明实施例1制备的硬质涂层的截面SEM图。

图4为本发明实施例1与对比例1～对比例3制备的硬质涂层的高周疲劳数据曲线图。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、对7075铝材质的自动倾斜器导筒进行清洗预处理；所述清洗预处理的过程为：先将自动倾斜器导筒浸没在盛有20℃～30℃、质量浓度0.5％的金属清洗剂溶液的容器中，并置于超声波发生器中进行超声清洗20min，去除后在流动水下冲洗，然后没入盛有无水乙醇的容器中，并置于超声波发生器中进行超声清洗5min，用吹风机吹干；

步骤二、将步骤一中经清洗预处理后的自动倾斜器导筒放置于装有喷砂料的喷砂机中，利用空气压力将喷砂料24#棕刚玉经喷枪喷射到自动倾斜器导筒表面进行喷砂处理，喷砂处理的气压为0.6MPa，喷枪与工件的距离为150mm，直至喷砂面亚光、均匀且粗糙度为10μm～13μm，采用压缩空气吹冲去除表面砂粒和浮灰，然后将经喷砂粗化后的自动倾斜器导筒放置于装有喷丸料的喷砂机中，利用空气压力将喷丸料300#氧化锆经喷枪喷射到自动倾斜器导筒表面进行喷丸处理，喷丸处理的气压为0.1MPa，喷枪与工件的距离为50mm，直至喷丸面亚光、均匀且粗糙度为8μm～11μm，采用压缩空气吹冲去除喷表面丸料和浮灰，得到经表面处理后的自动倾斜器导筒；

步骤三、利用工装将步骤二中得到的经表面处理后的自动倾斜器导筒固定在超音速火焰喷涂的转动台上，然后ABB机械手加持超音速火焰喷涂的喷枪，在自动倾斜器导筒表面采用超音速火焰喷涂NiCrAl涂层，工艺参数为：氧气流量24m

对本实施例中自动倾斜器导筒和经表面处理后的自动倾斜器导筒的力学性能进行检测，结果如表1所示。

表1

从表1可知，经表面处理后的自动倾斜器导筒基体的力学性能与自动倾斜器导筒基体的力学性能相当。

对本实施例中各处理工艺后的自动倾斜器导筒的表面进行3D形貌分析，检测设备为用KEYNCE公司的VHX-950数码显微系统，结果如图1～图2所示。

图1为本实施例中经喷砂处理后的自动倾斜器导筒的表面3D形貌图，从图1可以看出，经喷砂处理后的自动倾斜器导筒的表面具有较大的粗糙度，且有大量的尖锐角。

图2为本实施例中经表面处理后的自动倾斜器导筒的表面3D形貌图，从图2可以看出，依次经喷砂和喷丸表面处理后的自动倾斜器导筒的表面仍具有较大的粗糙度，但无尖锐角。

将图1与图2进行比较可知，本发明将喷砂和喷丸相结合，获得既有较好粗糙度又具有压应力的粗化面，同时去除喷砂面所获得的尖锐角。

图3为本实施例制备的硬质涂层的截面SEM图，从图3可以看出，中间的NiCrAl涂层与自动倾斜器导筒基体、WC-12Co涂层均结合良好。

对比例1

本对比例与实施例1的不同之处为：步骤二中对自动倾斜器导筒仅进行喷砂处理；步骤三中在经表面处理后的自动倾斜器导筒的表面仅采用超音速火焰喷涂WC-12Co涂层。

对比例2

本对比例与实施例1的不同之处为：步骤二中对自动倾斜器导筒仅进行喷砂处理。

对比例3

本对比例与实施例1的不同之处为：步骤三中仅在经表面处理后的自动倾斜器导筒的表面采用超音速火焰喷涂WC-12Co涂层。

图4为本发明实施例1与对比例1～对比例3制备的硬质涂层的高周疲劳数据曲线图，从图4可以看出，对比例1采用单一的喷砂处理结合超音速火焰喷涂WC-12Co涂层制备的硬质涂层疲劳性能最低，对比例2采用单一的喷砂处理结合超音速火焰喷涂NiCrAl涂层、超音速火焰喷涂WC-12Co涂层制备的硬质涂层疲劳性能优于对比例1，对比例3采用喷砂、喷丸处理结合超音速火焰喷涂WC-12Co涂层制备的硬质涂层疲劳性能明显优于对比例1，而实施例1采用砂、喷丸处理结合超音速火焰喷涂NiCrAl涂层、超音速火焰喷涂WC-12Co涂层制备的硬质涂层疲劳性能最优，优于对比例1～对比例3制备的硬质涂层。

综上所述，本发明方法在7075铝材质的自动倾斜器导筒表面制备的超硬涂层，在保持好的力学性能的同时又有优良的高周疲劳性能，其表面硬度和耐磨性均得到极大提高。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

步骤一、对7075铝材质的自动倾斜器导筒进行清洗预处理；所述清洗预处理的过程为：先将自动倾斜器导筒浸没在盛有20℃～30℃、质量浓度1％的金属清洗剂溶液的容器中，并置于超声波发生器中进行超声清洗5min，去除后在流动水下冲洗，然后没入盛有无水乙醇的容器中，并置于超声波发生器中进行超声清洗10min，用吹风机吹干；

步骤二、将步骤一中经清洗预处理后的自动倾斜器导筒放置于装有喷砂料的喷砂机中，利用空气压力将喷砂料24#棕刚玉经喷枪喷射到自动倾斜器导筒表面进行喷砂处理，喷砂处理的气压为0.1MPa，喷枪与工件的距离为50mm，直至喷砂面亚光、均匀且粗糙度为9μm～12μm，采用压缩空气吹冲去除表面砂粒和浮灰，然后将经喷砂粗化后的自动倾斜器导筒放置于装有喷丸料的喷砂机中，利用空气压力将喷丸料300#氧化锆经喷枪喷射到自动倾斜器导筒表面进行喷丸处理，喷丸处理的气压为0.5MPa，喷枪与工件的距离为150mm，直至喷丸面亚光、均匀且粗糙度为8μm～11μm，采用压缩空气吹冲去除喷表面丸料和浮灰，得到经表面处理后的自动倾斜器导筒；

步骤三、利用工装将步骤二中得到的经表面处理后的自动倾斜器导筒固定在超音速火焰喷涂的转动台上，然后ABB机械手加持超音速火焰喷涂的喷枪，在自动倾斜器导筒表面采用超音速火焰喷涂NiCrAl涂层，工艺参数为：氧气流量18m

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。