新型镀铬封孔技术的性能及其在某型飞机起落架上的应用.pdf

Vo l . 40 No . 11 No v ember 2019 第40卷第11期 2019年11月 腐蚀与防护 CORROSION 起落架;气密性;耐蚀性 中图分类号TQ153. 1 文献标志码A 文章编号1005-748X201911-0816-05 Perance of Hard Chromium Sealing and its Application on Landing Gear for a Certain Type of Aircraft WANG Ha o ju n1, ZHAN Zh o n gw ei2, ZHOU Ya n w en1, TANG Zh ih u i2, SUN Zh ih u a2, PENG Ch a o2 1. Ma n u f a c t u r in g En gin eer in g Depa r t men t, A VIC Xia n Air c r a f t In du st r y Co mpa n y Lt d. , Xia n 710089, Ch in a； 2. Av ia t io n Key La bo r a t o r y o f Sc ien c e a n d Tec h n o l o gy o n Adv a n c ed Do r r o sio n a n d Pr o t ec t io n f o r Av ia t io n Ma t e r ia l s, AECC Beijin g In st it u t e o f Aer o n a u t ic a l Ma t er ia l s, Beijin g 100095, Ch in a Abstract Ha r d c h r o miu m pl a t in g is o n e o f t h e mo st c o mmo n l y u sed w ea r -r esist a n t c o a t in gs. Ho w ev er , t h e po o r c o r r o sio n r esist a n c e a n d a ir t igh t n ess l imit 让s u sa ge. Th e n ew c h r o me sea l in g t ec h n o l o gy c a n ef f ec t iv el y impr o v e t h e c o r r o sio n r esist a n c e a n d a ir t igh t n ess o f c h r o me pl a t in g. Aimin g a t t h e pr o bl em o f a ir l ea ka ge in t h e sea l in g pa r t o f t h e ma in l a n din g gea r o f a c er t a in a ir c r a f t , t h e a ppl ic a t io n r esea r c h o f t h e n ew c h r o me sea l in g t ec h n o l o gy w a s c a r r ied o u t t o c o mpr eh en siv el y t est t h e per f o r ma n c e o f t h e c h r o me sea l in g t ec h n o l o gy, a n d t h e f u n c t io n o f t h e pist o n r o d a f t er sea l in g w a s a l so t est ed. Th e r esu l t s sh o w t h a t t h e n ew c h r o me sea l in g t ec h n o l o gy c o u l d so l v e t h e pr o bl em o f a ir l ea ka ge in t h e sea l in g pa r t o f t h e pist o n r o d, ef f ec t iv el y impr o v e t h e f ir st pa ss r a t e o t h e pa r t s a n d sa v e ma n -h o u r s. Th e c o mpr eh en siv e per f o r ma n c e o f t h e sea l ed pa r t s h a d been gr ea t l y impr o v ed, in c l u din g t emper a t u r e r esist a n c e , a gin g r esist a n c e, c o r r o sio n r esist a n c e, h igh a n d l o w t emper a t u r e a ir t igh t n ess a n d w ea r r esist a n c e. Key words h a r d c h r o miu m sea l in g； l a n din g gea r； a ir t igh t n ess； c o r r o sio n r esist a n c e 电镀硬锯镀层是钢制零件最常用的耐磨防护镀 层口〕，硬度较高,一般为700-1 000 HV,具有良好 的耐磨性，在飞机液压部件、轴承、轴筒等部位有着 广泛的应用。尽管目前超音速火焰喷涂、爆炸喷涂 等新型替代技术的应用逐渐普遍口旬，但是电镀硬珞 收稿日期2018-03-24 通信作者詹中伟1982-,高级工程师，博士，从事航空材 料先进防护技术研究工作，010-62497269, espz-z-w ei 163. c o m 因工艺成熟、镀层稳定和耐磨性能良好等优点,在军 工行业仍然有大量的应用，在可预见的时期内仍将 是钢制零件的主要表面处理工艺。但是，采用传统 电镀硬铮工艺获得的硬铭镀层，本身结构存在网状 裂纹,而且后续的磨削加工往往会造成裂纹的增加， 可能形成相互贯穿的网状裂纹，这就使得有气密性 要求的镀锯零件发生漏气现象，俗称“冒汗”。不仅 如此，网状裂纹的存在还会造成腐蚀介质更易深入 镀层内部,造成基体腐蚀45。据统计，某型飞机主 起落架活塞杆零件,镀锯后在气密试验中，“冒汗”率 816 王浩军，等新型镀锯封孔技术的性能及其在某型飞机起落架上的应用 最高可达80,难以通过气密试验,导致活塞杆零 件不得不退除锯层重新镀覆；个别零件甚至返工3 次。这种现象严重耽误生产进度，影响零件正常交 付，另外按照工艺文件规定,超过三次返工仍不合格 的零件必须报废处理,这也造成严重浪费。 目前工业界解决硬铭镀层气密性差、耐蚀性差 问题的主要思路是采取措施减少或消除微裂纹，主 要方法包括油封、金刚石碾压等。但是这些方法的 效果并不十分理想，根本原因在于油封可能会在高 压作用下失效，而金刚石碾压尽管能减少已有裂纹, 但无法完全消除裂纹，甚至可能会催生出新的裂纹。 目前国内外普遍采用有机聚合物封闭的方法来提高 硬诰镀层的耐蚀性。美国Messier -Do w t y公司采用 特殊的有机物对硬诰镀层进行封孔后处理，实现在 中性盐雾中750 h不出现锈蚀，同时还提高了镀层 气密性。 本工作针对某型飞机主起落架活塞杆锯镀层气 密性差的问题，采用北京航空材料研究院研发的 518封孔剂，对锯镀层进行封闭处理,并对封孔后的 活塞杆零件进行全面适应性考核，以期为镀锯封孔 处理工艺提供理论基础。 1试验 1.1试样 试验材料选用航空工业常用的30Cr Mn SiNi2A 高强度钢，其名义成分见表1。用于孔隙率、耐蚀 性、显微硬度、耐温性、耐油性、耐紫外老化检测的试 样尺寸为100 mmX 50 mmX 3 mm,氢脆测试试样 按照HB 5067. 1-2005镀覆工艺氢脆试验中的标 准尺寸进行加工。某型飞机主起落架活塞杆功能考 核的试验均采用实际零件,包括常温气密试验、耐高 低温试验和耐磨试验。电镀硬铭及测试过程中所用 药品，包括洛軒、硫酸等,均为分析纯。本工作选用 北京航空材料研究院研发的双组份518封孔剂。 表1 30CrMnSiNi2A高强度钢的名义化学成分 Ta b. 1 No min a l c h emic a l c o mpo sit io n o f 30Cr Mn SiNi2Ast eel WcWCrWpji Mnw sWsMe 0. 300. 101. 60 1. 201.002 h 。 1.3表征与测试方法 硬锯镀层的孔隙率检测，按照GB/T 17721- 1999金属覆盖层孔隙率试验规定,采用铁氧化钾 溶液涂覆在试纸上,覆盖于硬锯镀层表面,观察是否 出现蓝色斑痕。镀层的显微硬度测试按照GB 9790 -1988金属覆盖层及其他有关覆盖层维氏的规 定，采用St r u e r s显微硬度仪检测。氢脆性能测试 按照HB 5067. 1-2005镀覆工艺氢脆试验的规 定，采用标准氢脆试样，进行200 h持续加载试验。 镀层的耐蚀性采用中性盐雾试验检测，按照ASTM B117-201K盐雾试验标准在Q-FOG盐雾箱中进 行，盐雾溶液为5质量分数,下同Na Cl溶液，每 24 h检查1次，试验时间360 h。耐温性测试是将 经镀锯封孔处理的试样放入20010 -C烘箱保温 24 h ,取出后空气中冷却至室温，观察镀层表面状 态。耐紫外老化试验按照GB/T 16585-1996的规 定，镀锯封孔的试样紫外照射96 h后，观察镀层表 面状态。 活塞杆的功能试验主要根据零件的检验要求进 行，包括高低温气密试验和耐磨试验等,试验设备采 用工厂气密性测试装置。 2结果与讨论 2. 1 518封孔剂成分及原理 518封孔剂是北京航空材料研究院研发的双组 份封孔产品，主要用于提高锯镀层的耐蚀性和气密 性。A组份属于无溶剂型液体环氧类树脂,B组份 为固化剂。环氧类树脂作为封孔剂的主要物质，其 环氧基团化学性质活泼，可以与多种类型的固化剂 发生交联反应，形成不溶、难熔的三维网络状高聚 物。518封孔剂正是利用上述反应原理，将封孔剂 固化于锯镀层的微裂纹中，从而达到封闭的效果。 环氧树脂一般分子量较大，黏度较大,而铭镀层 的微裂纹宽度约为几微米，因此理论上封孔剂较难 渗入。518封孔剂产品主要从两个方面解决上述理 论和技术难题。 817 王浩军，等新型镀辂封孔技术的性能及其在某型飞机起落架上的应用 首先筛选合适分子量的环氧树脂。分子量大的 环氧树脂在常温下为固态，不宜作为无溶剂液体封 孔剂,518封孔剂采用分子量小、常温为液体的环氧 树脂作为封孔剂的基料。 其次利用裂纹毛细作用原理，改进优化封孔工 艺。先将零件加温，蒸发裂纹中的水气，裂纹中的空 气也受热膨胀排出，之后在零件降温的过程中，刷涂 封孔剂，由于温度梯度和裂纹毛细作用的共同结果， 封孔剂更易渗入到裂纹中。 2.2硬锯层封孔后的微观形貌 由图1可见未进行封孔处理的硬锯镀层表面 存在大量微裂纹，其分布没有明显的规律性;微裂纹 在锯镀层整个厚度范围内都随机分布，当其相互连 接并贯穿镀层时，就可能形成通路,宏观上造成漏 气。与此同时,微裂纹也会成为外界腐蚀介质渗透 入基体的通道，造成基体腐蚀。 a 未封孔表面 b未封孔截面 c 封孔表面 d封孔截面 图1硬锯镀层封孔前后的表面及截面形貌 Fig. 1 Su r f a c e a ,c a n d c r o ss-sec t io n b,d mo r ph o l o gy o f h a r d c h r o me pl a t in g bef o r e a n d a f t er sea l in g 硬锯镀层经过封孔处理后，微观表面的裂纹痕 迹略有减轻，且截面的的裂纹痕迹略有减少，见图1 C和d。这可能是由于封孔剂渗入并固化在裂纹 中造成的。需要指出，封孔后表面仍显示出裂纹痕 迹,并非是封孔剂未渗入裂纹中，而是由于非金属的 封孔剂与金属的硬锯镀层在材质上差别明显，所以 在扫描电子显微镜下出现了成像的差异。 2.3封孔性能考核 2. 3. 1孔隙率 由图2可见未封孔的硬锯镀层，出现了大量的 蓝色斑痕，这表明锯镀层上存在裂纹，铁氧化钾溶液 能够渗透进入裂纹，并与铁基体发生反应。封孔之 后的硬锯镀层完全没有出现蓝色显色反应，显示出 封孔处理已经完全将硬锯镀层中的微裂纹封堵，溶 液无法渗透进入镀层。 2. 3. 2显微硬度 作为耐磨层，硬锯镀层的显微硬度一般需要保 持在700 HV以上。封孔处理必须在提高耐蚀性的 同时,保证镀层本身硬度不降低。封孔前后镀层的 显微硬度检测结果见表2。由表2可见封孔处理 对于镀层硬度没有不利影响。 2. 3. 3氢脆性能 理论上，电镀硬锯后经充分除氢处理，不会引发 基体的氢脆问题。封孔处理也必须不影响基体氢脆 性能才有实用性。518封孔剂属高分子物质，在涂 覆和固化过程中,并不会产生氢，尤其是引发氢脆的 a 未封孔 b封孔 图2硬锯镀层封孔前后的孔隙率 Fig. 2 Po r o sit y o f h a r d c h r o me pl a t in g bef o r e a a n d a f t er b sea l in g 表2封孔前后镀层的显微硬度 Ta b. 2 Mic r o h a r dn ess o f h a r d c h r o me pl a t in g bef o r e a n d a f t er sea l in g HVo.3 试样显微硬度均值 封孔前824,865,798,836,857836 封孔后972,840,816,765,822843 原子氢，所以，理论上封孔处理不会对基体的氢脆性 能产生影响。对封孔处理的氢脆试棒进行缺口拉伸 试验，经检测缺口试样的强度平均约为2 580 MPa。 封孔处理后的缺口拉伸试样，加载75缺口强度的 载荷，保持200 h ,检验缺口试样是否发生断裂。试 验结果显示所有封孔试样都没有发生断裂，这表明 封孔处理不会增加基体的氢脆风险，见表3。 818 王浩军.等新型镀锯封孔技术的性能及其在某型飞机起落架上的应用 表3封孔处理后氢脆试棒的拉伸结果 Ta b. 13 Ten sil e r esu l t s o f h ydr o gen -embr it t l emen t t est ba r s a f t er sea l in g t r ea t men t 序号缺口尺寸/mm 载荷/N测试结果 14. 50230 857 24.50630 885 34. 50030 843全部通过200 h 44.51030 912拉伸试验 54.51130 919 64.51030 912 2. 3. 4耐温性 硬锯镀层在服役过程中往往要承受一定的载荷 和摩擦，因此不可避免会发生升温情况。封孔剂如 果在升温过程中发生溢出或溶解，将会大幅度降低 硬铭镀层的耐蚀性，甚至影响耐磨性。结合实际服 役环境，设置耐温性测试的温度为200 10 -C,将 封孔处理的试样放置其中保温24 h。 图3所示为测试前后的硬锯镀层外观。经过耐 温测试后，硬铭镀层表面没有出现封孔剂溢出或溶 解的现象。这是由于双组份的封孔剂渗透进入微裂 纹中,经过固化之后，发生充分的交联反应,形成牢 固的聚合物体系，其自身在200 C以内能够保持良 好的完整性和稳定性。 Fig. 3 High t emper a t u r e r esist a n c e t est r es u l t a bef o r es t es t； b a f t er t est 2. 3. 5耐蚀性 检验封孔效果最重要的指标是耐蚀性，采用 5质量分数Na Cl中性盐雾试验进行检测。由 图4可见未封孔的锯镀层经过24 h盐雾试验后, 表面出现了大量红色腐蚀产物，表明腐蚀介质已经 通过锯镀层的微裂纹渗透进入基体表面，造成钢基 体严重腐蚀。而封孔处理试样经过360 h盐雾试验 后，没有出现任何腐蚀迹象，显示出极佳的耐腐蚀 性能。 a 未封孔 b封孔 图4硬锯镀层封孔前后的中性盐雾试验结果 Fig. 4 Neu t r a l sa l t spr a y t est r esu l t s o f h a r d c h r o me pl a t in g bef o r e a a n d a f t er b sea l in g 2. 3. 6耐紫外老化性 封孔处理是采用有机高分子物质堵塞硬锯镀层 中的微裂纹,达到提高气密性和耐蚀性的目的。有 机高分子物质必须具有良好的耐紫外老化性能，才 能在长期服役中稳定使用。 由图5可见经过96 h紫外老化试验后，硬铭 镀层表面并未出现明显的变化,封孔剂未出现溶解、 鼓泡、脱落等现象，表明封孔试样具有优异的抗紫外 老化性能。 a 试验前 b试验后 图5紫外老化试验前后的封孔硬锯镀层表面形貌 Fig. 5 Su r f a c e mo r ph o l o gy o f sea l ed h a r d c h r o me pl a t in g bef o r e a a n d a f t er b UV a gin g t est 2.4活塞杆镀锯封孔工艺应用 国内某型飞机主起落架活塞杆批产过程中，镀 819 王浩军，等新型镀锯封孔技术的性能及其在某型飞机起落架上的应用 锯段长期存在漏气和冒汗现象.造成起落架结构减 压，破坏减震和稳定的作用。据统计，某型飞机起落 架活塞杆漏气率高达80。不合格的活塞杆需要 退洛重镀,严重耽误生产进度;并且根据工艺文件规 定,退镀返工次数不得超过三次，否则必须按报废处 理，极大增加了生产成本。 针对上述严重问题，现采用封孔剂对活塞杆硬 锯层进行封孔处理。封孔处理的一般工艺流程为 悟镀层表面清洗- 加热-配制封孔剂一刷涂封孔剂 -静置并固化。根据需要，可以重复上述步骤2〜3 次，以提高封孔效果。 1） 珞镀层表面清洗 锯镀层应当在磨削加工后开始封孔处理。锯镀 层的清洗可采用有机溶剂，如丙酮等,以完全去除锯 层表面的油污等，形成洁净、均匀的待涂覆表面。如 有必要，可采用阳极除油。 2） 加热 将活塞杆加热至120-150 C,保持至少1 ho 3） 配制封孔剂 在活塞杆加热过程中，按照比例配制封孔剂，搅 拌均匀，并在1 h内使用。 4） 刷涂封孔剂 将活塞杆取出挂起，采用洁净的毛刷在镀锯区 域均匀刷涂封孔剂，确保封孔剂在整个涂覆区域均 匀铺展，并保持至少3 min；然后采用洁净纱布擦除 表面多余封孔剂。 5） 静置并固化 室温静置至少6 h ,然后在120-150 C下固化 处理至少2 h ,冷却后即可交付。 2.5活塞杆零件功能验证 活塞杆零件进一步开展功能考核，以验证封孔 处理对气密性的提升效果。按照工厂气密性测试装 置进行高低温气密试验和耐磨试验等。 2. 5. 1高低温气密试验 高低温气密试验是模拟实际服役环境，检验封 孔处理的活塞杆经历高、低温后的气密性。试验装 置示意如图6所示。高温试验是将充填正常气压的 活塞杆在（702） -C下保持2 h后，进行拉伸压缩 试验,待恢复到正常温度后，进行气密试验。低温试 验是将充填正常气压的活塞杆在（一552） C下保 持4 h后，进行拉伸压缩试验，待恢复到正常温度 后，进行气密试验。气密试验包括高、中、低三个压 力下的气密检测,检测不同压力下活塞杆漏气情况， 其中高压是液压1. 9 MPa ,保持1 h；中压是气压 0.9 MPa ,保持2 h；低压是气压0. 6 MPa ,保持4 h。 对比封孔与未封孔处理的活塞杆,试验结果如表4 所示，可以发现,经过封孔处理后的活塞杆全部通过 高低温后的各项气密试验，而未封孔零件则均未通 过试验。这表明封孔处理极大提高了活塞杆零件的 气密性能。 图6气密性试验装置示意图 Fig. 6 Sket c h o f a ir t igh t n ess t est set l o w t emper a t u r es 表4高低温气密试验结果 Ta b. 4 Resu l t s o f a ir t igh t n ess t est a t h igh a n d 项目高压中压低压 高温未封孔不合格不合格不合格 试验 封孔合格合格合格 低温未封孔不合格不合格不合格 试验 封孔合格合格合格 2. 5. 2耐磨试验 耐磨试验是模拟活塞杆实际工作情况,在有液 压油润滑的情况下进行500周期的拉伸压缩试验， 每100周期检查锯镀层外观，试验完成后进行密封 性能检测，同时对液压油的洁净度进行检测,检验封 孔处理是否会对液压油的洁净度产生污染。 结果表明，在整个耐磨试验期间,进行封闭处理 的活塞杆洛镀层外观正常,密封性合格。同时，封孔 处理的活塞杆经过500周期耐磨试验后，其液压油 的洁净度与未封孔活塞杆中液压油的相同，表明封 孔处理不影响液压油的洁净度。 3结论 （1） 封孔处理的工艺性能稳定，能够降低硬铭 镀层孔隙率，提高耐蚀性，不影响镀层显微硬度、氢 脆性、耐温性和耐紫外老化性能。 （2） 采用封孔处理的某型飞机主起落架活塞 杆.气密性能大幅度提高，耐磨性能合格，封孔处理 有效降低了返工次数，提高了生产效率，减少了材料 及工时浪费，生产效益明显。 （下转第825页） 820 孟龙，等发电机定冷水处理的要点与新技术的概述 4 选择定冷水的处理方法时应充分了解各种 方法的优、缺点，避免给机组运行带来风险。 5 定冷水智能配水法具有自动补水，自动循 环，定冷水水质好,铜腐蚀量小等优点。设备投运后 效果明显，长期运行指标稳定可靠，满足GB/T 12145-2016火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质 量及DL/T 801-2010大型发电机内冷却水质及 系统技术要求标准中关于定冷水水质的要求。 参考文献 [1] 王溯.发电机内冷水系统防腐蚀研究[D] .长沙长沙 理工大学，2010. 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