铝合金花键表面耐磨处理方法分析与验证

2019-10-26朱卓宇钟建锋

设备管理与维修 2019年10期

关键词：碳化钨操纵杆花键

胡超，朱卓宇，钟建锋，2

（1.中国航发湖南动力机械研究所，湖南株洲 412002；2.直升机传动技术国防科技重点实验室，湖南株洲 412002）

0 引言

某型机桨距操纵杆是安装在直升机减速器内部，通过尾伺服系统往复运动改变尾桨距的关键零件。其输入端与助力器操纵杆相连，输出端与叉形件相连，中部通过浮动花键的方式和尾桨轴相连，桨距操纵杆花键主要参数见表1。

该型机桨距操纵杆首次采用2618A 铝合金材料（标准为ASNA3357）。该铝合金与钢材料相比密度小，能减轻约2 kg 的重量；但缺点是硬度低，耐磨性差。在首次飞行176 h 后，发现桨距操纵杆花键外表面出现严重接触磨损（图1）。

表1 桨距操纵杆花键主要参数

图1 桨距操纵杆花键表面磨损情况

根据检查结果，在花键工作面和非工作面上发现长（40～70）mm 的拉痕，磨损深度最高达0.14 mm，而与之相配的尾桨轴内花键工作正常。分析桨距操纵杆花键磨损原因，是由于桨距操纵杆材料为2618A 铝合金（硬度为120 HV 左右），而尾桨轴材料为15-5PH 钢（硬度320 HV 左右），这两种材料硬度差距较大，在飞行过程中，由于桨距操纵杆往复运动，造成其外花键磨损。

由于桨距操纵杆花键处磨损情况严重，将会影响到减速器的翻修间隔期，因此必须解决外花键磨损问题。而桨距操纵杆的取证试验已完成，如改材料将导致增加重量，重新试验等问题。因此最经济便捷的方法就是对花键增加表面处理，在满足花键精度要求的前提下提高其表面硬度及耐磨性能。

1 铝合金表面处理方法

能提高铝合金表面硬度和耐磨性的表面处理方式有喷砂、硬质阳极化、电镀、微弧氧化、等离子喷涂碳化钨、化学镀镍等，由于该桨距操纵杆花键齿形公差要求较高，这些处理方式中能用于复杂表面且能较大程度提高硬度和耐磨性能的有微弧氧化、等离子喷涂碳化钨、化学镀镍等。

1.1 等离子喷涂碳化钨技术

等离子喷涂技术是继火焰喷涂后发展起来的一种新型多用途的喷涂方法，具有温度高，能量集中，弧稳定性好等特点。

碳化钨（WC）具有很好的喷涂性和耐磨性，是等离子喷涂技术中常用喷涂材料，利用等离子喷涂技术对铝合金进行喷涂碳化钨，能提高铝合金表面硬度达1000 HV 以上，现已得到广泛应用，如薄壁铝制倾斜器导筒等。其膜层性能：耐磨性涂层厚度（50～150）μm；硬度（1150～1300）HV；结合力强度一般＞70 MPa；涂层粗糙度Ra（3～5）μm 不等，经过磨削加工后涂层的光洁度可以达到Ra（0.1～0.5）μm；工作温度可达500 ℃；耐腐蚀性好；涂层不均匀度≤10%；通过磨削后加工进一步提高涂层均匀度。

利用等离子喷涂技术对铝合金进行喷涂碳化钨（WC），前处理十分简单，仅需除油脱脂处理，喷涂时对不喷涂部位作遮挡保护，喷涂后需对喷涂部位进行磨削加工，以保证涂层的光洁度。

1.2 微弧氧化法

微弧氧化是一种在有色金属表面原位生长陶瓷膜的高新技术[2，3]。该技术能使表面氧化层在微等离子体的作用下，使非晶结构的Al2O3 转变成A2Al2O3 和C2Al2O3[4]。微弧氧化生长的陶瓷膜致密，与基体结合力强、尺寸变化小[5]。其膜层性能：防腐膜厚度（20～50）μm，耐磨性膜层为（60～150）μm；厚度越大涂层越疏松，使用前需将疏松层打磨掉；普通铝合金氧化后硬度（800～1200）HV，硬铝氧化后为（900～1500）HV；结合力一般＞100 MPa；氧化膜粗糙度Ra（1.5～5）μm；需作后续打磨处理，以增加表面光洁度；涂层不均匀度≤10%；通过磨削加工后可进一步提高涂层均匀度。

铝合金微弧氧化前仅需作简单除油脱脂处理，氧化后需对氧化膜进行封闭、抛光等后续处理，使氧化膜的耐腐蚀性与表面光洁度达到所需要求。

1.3 化学镀镍法

化学镀镍是不通电的情况下，在特定的镀液中，于一定条件下使金属离子被还原剂还原，最终沉淀到固态基体表面上形成镍镀层的过程。按镀层的成分分类，化学镀镍有镍磷、镍硼、镍硼佗和颗粒增强镀层4 种。其中镍磷镀层工艺相对简单且性能较好，一般化学镀镍采用镍磷镀层，其膜层性能如下：厚度（20～50）μm；硬度（450～550）HV，经热处理后可达（950～1050）HV；结合强度＞300 MPa；表面光洁度一般为Ra0.4 μm；镀后一般都不需再作磨削加工；镀层厚度均匀，化学镀液的分散程度接近100%。

2 表面处理方法对比分析及结论

对三种铝合金表面处理方法进行比较，并针对某型桨距操纵杆花键表面实际特点进行分析。

（1）等离子喷涂碳化钨法得到的镀层硬度高（＞1000 HV），但该方法利用粒子高速运动附着与目标表面，而桨距操纵杆花键处存在圆倒角，因此在喷涂时会导致该圆角处的喷涂效果低于其他部位。另外由于桨距操纵杆花键粗糙度要求为Ra 1.6，因此使用此方法需对涂层进行磨削加工以满足粗糙度要求，而涂层硬度高，将加大加工难度。

（2）微弧氧化法得到的镀层硬度高（＞800 HV），且其得到的镀层均匀，但此方法得到的镀层包括（20～50）μm 的防腐膜层及（60～150）μm 的耐磨膜层，须进行打磨抛光处理提高粗糙度，同样增加了二次加工的难度。

（3）化学镀镍法得到的镀层均匀致密，结合力强，所得镀层硬度较高（＞400 HV），且其厚度可由镀镍时间来控制，镀后可满足该桨距操纵杆花键的外形及精度要求，无需再对花键进行再加工处理。

通过综合对比分析，从镀层硬度上来讲，三种方法得到的镀层硬度大于15-5PH 钢的硬度，均满足所需硬度要求。从对镀层的厚度、光洁度等影响精度的因素上来讲，等离子喷涂碳化钨法和微弧氧化法得到的镀层光洁度不高，需进行磨削加工后才能满足要求，而镀层硬度很高，花键结构复杂，在满足精度的条件下进行再加工十分困难；化学镀镍法则无需进行二次加工，因此化学镀镍法是最适合提高该型机桨距操纵杆花键表面耐磨能力的表面处理方法。