热喷涂工艺技术在航空制造领域的应用

周杨

摘  要：热喷涂工艺是材料表面强化与安全防护的重要技术手段之一，通过热喷涂工艺可为飞机各零部件制备耐腐蚀、绝缘、隔热、抗氧化、防辐射等不同功能的涂层。本文结合工作实际，就航空制造领域中热喷涂工艺的技术原理、工艺流程、质量要求等方面的工艺内容进行了探讨与研究。

关键词：热喷涂工艺;航空制造;应用

前言：

飞机运行过程中，其各零部件的工作条件非常复杂、严酷，需要承受高温、高压等各种外界不良环境所带来的影响。为保障飞机运行的安全，必然对其材料和制造工艺都有着很高的标准与要求。目前，我国航空制造领域中的工艺种类繁多，如表面处理、热处理、焊接、锻造、胶接等，都属于航空特种制造工艺的范畴。热喷涂技术属于表面处理工艺的一类，可在飞机零部件表面形成具有一定结合强度的涂层，从而达到强化材料表面与安全防护的重要作用，因此在我国航空、航天等高新技术领域中有着广泛的使用。

一、热喷涂的技术原理及主要类型

（一）技术原理

热喷涂工艺的技术原理，主要是指通过放电、激光、火焰等各类热源，将涂层材料加热到软化或熔融状态，再借助外力将其喷涂到零部件表面，通过快速冷却凝固在表面，所形成的扁平化且具有一定特殊功能的复合涂层工艺技术。

（二）主要类型

在航空制造领域，常用的热喷涂工艺就多达十余种，为制备各种特殊功能的涂层提供了丰富手段。借鉴国际标准ISO14917中的分类，根据喷涂材料形态的不同可分为：粉末热喷涂、棒材热喷涂、线材热喷涂等;根据制备方式的不同可分为：全自动喷涂、机械化喷涂、手工化喷涂等;而根据热源的不同可细分为：气体燃烧喷涂、气体放电喷涂、电热喷涂、爆炸喷涂、激光喷涂等多种类型。

目前，在航空制造领域中较常采用的热喷涂工艺包括了：氧乙炔火焰喷涂、超声速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂等。例如，等离子喷涂工艺利用WC-Co/Cr、CoMoCrSi等喷涂材料，可在飞机发动机轴、轴承座上形成耐磨蚀涂层;爆炸喷涂工艺利用X-40、WC-Co等喷涂材料，可在喷气发动机涡轮轴、涡轮叶片叶冠等部位，形成耐磨蚀、封严、绝缘等功能的涂层。

二、航空制造領域中热喷涂的工艺流程

热喷涂的工艺流程主要包括了预处理、喷涂施工、后处理等工序。根据喷涂方法、工件基体材料、涂层材料以及使用性能和服役条件的不同。本文以航空制造领域中较常采用的等离子喷涂技术为具体实例，详细探讨了该技术的工艺流程：

（一）预处理

1.表面加工清理

表面加工清理是等离子喷涂前，表面制备的第一步。其目的是清除表面油污、氧化皮、漆层等污物。对于无缝隙的飞机零部件，可采用有机溶剂除油或吹砂处理。表面存在的漆层，可先用脱漆剂把油漆除掉再进行清理。对于多孔的铸件或有狹鏠的零件，也可采用加热除油的方法先将零件加热到300-500℃，然后再清除渗出的油污，有吋需重复几次才能除净。如果零件因加热发生氧化，可用吹砂法清除氧化皮。

2.非喷涂表面的保护

保护零件非喷涂部位的方法因零件的形状和被保护部位而异。目前，在等离子喷涂技术中，胶带保护法被广泛采用，它适用于形状复杂、制作夹具比较困难的飞机零部件。在非喷涂表面上涂保护涂料也是一种有效的保护方法。此外，也可根据飞机零部件形状，特意制作专用夹具进行保护。

3.表面粗化

在加工清理合格的表面上，还应作进一步的粗化处理，以增大飞机零部件与涂层的接触表面积，提高涂层粘结强度。常用的粗化方法主要包括了：吹砂、拉毛、开槽、车螺纹、滚花等。目前，吹砂是最普遍而经济的粗化方法。粗化和清理所用的吹砂设备最好分开，或采用更换砂子的方法，目的是防止粗化用砂的污染。各种不同类型的材料选用压缩空气的压力可为0.20-0.55MPa，选用18-24目或60-80目的氧化铝砂子进行喷砂，可以获得满意的表面粗化效果。

（二）热喷涂施工

1.喷涂参数的选择

选择适宜的等离子工作气体，形成等离子电弧的气体多采用氩气、氮气等惰性气体，在航空制造领域中通常采用含有5%-25%氢气的氮气作为等离子气体，其传递给喷射粒子的能量最多，且费用偏低，如某些飞机零部件材料与氮气会产生有害反应时，也可采用含5%-25%的氩气作为等离子气体，该类气体虽然热能传递偏低，但性能稳定，其形成的涂层结构非常致密。

2.预热和冷却

通过预热，可有效去除零部件基体表面的湿气，减少涂层和基体的相对膨胀量，从而达到改善粘结性能的目的。通常的预热温度为70-150℃，小型零部件可采用等离子喷枪火焰预热。大型零件可在炉子中预热，但要防止零件被氧化和变形。在喷涂过程中要适当冷却零件，以控制零件温度，防止过热，减少涂层热应力。冷却的技术要求为：压缩空气或其它冷却气源吹风冷却零件，冷却气流必须与喷射点保持一定距离，以不妨碍涂层沉积为原则，冷却气流必须清洁，无油无水，对于易于氧化的涂层，可采用惰性气体冷却。可采用间歇喷涂的方式，一般喷涂10-20秒，停喷2-5分钟使零件冷却，如此反复，直到喷至所需的涂层厚度，同时注意控制适当的喷枪移动速度及零件转速。

3.喷涂距离控制

当喷枪和零部件的距离增大时，火焰温度会急剧下降，喷射粒子速度降低。当喷涂距离太近时，零部件温度又难以控制，且易于造成涂层和基体过热。两种情况都会造成涂层质量降低，沉积率下降。合适的喷涂距离适宜控制在70-150毫米之间。

4.喷枪移动速度控制

喷枪对于零部件的相对移动速度，如果选择不当，容易导致零部件局部过热、涂层氧化等缺陷问题。因此，建议喷枪移动速度为30-100米/分钟。喷枪的横向移动速度应保证喷涂层平整，每一道涂层的厚度应小于0.05mm，后一道涂层应与上一道涂层搭叠三分之一左右。同时，要求应尽可能垂直喷涂，但某些飞机零部件，因几何形状限制，喷涂角度允许到45°。

三、航空制造领域中热喷涂的质量要求

（1）涂层的质量评定

在航空制造领域中，对于选用的新涂层，应根据使用需要进行各种试验，如：金相试验、涂层拉伸结合强度试验、剪切结合强度试验、磨损试验、划痕试验、弯曲试验、孔隙度试验、耐介质试验、液体渗透试验等。但当涂层及工艺经选定后，只需进行简单的常规试验即可。对于正常喷涂层质量的检验，涂层厚度可用千分尺或专用量具进行测量。涂层外观可用肉眼或五倍放大镜观察有无裂纹、脱落、未熔化的大颗粒，对可磨耗涂层还应进行硬度检査。

（2）涂层缺陷的排除

对于检验不合格的涂层，必须退除千净，然后重新预制表面，重新喷涂。目前，退除涂层的方法主要有机械法、化学或电化学法，其中机械法最为常用。

结论：

近年来，我国航空制造技术发展迅速，尤其以热喷涂工艺为代表的特种加工制造技术得到了跨越式的发展。热喷涂工艺可根据飞机运行中各零部件的实际需求和耐受性需求，制作出耐磨蚀、安全防护、封严、绝缘等各种具有特殊功能的涂层。本文就航空制造领域中热喷涂工艺的技术原理、工艺流程、质量要求等方面的工艺内容进行了探讨与研究，以此期望能进一步推动该工艺技术在航空制造领域中的标准化、规范化发展。

参考文献

[1]  汪定江，夏定宝.航空维修表面工程学[M].北京：航空工业出版社，2006.

[2]  李金桂.现代表面工程技术与应用[M].北京：化学工业出版社，2014.