硬镀铬的代用计划,美国空军对两种冷喷涂工艺

Programs to Replace Hard Chrome Plating◎陈海介绍了美国在飞机、涡轮发动机制造以及维修上所用的热喷涂法代替硬镀铬的必要性、可行性和一些应用情况。在军用飞机、车辆、舰船制造和维修中、功能性硬镀铬是一种重要的传统工艺,但近年在美国,铬上了环保局17种毒性材料的名单,对铬在废水排放中的极限作了严格规定。为此,美国国防部在国防部环境安全技术认证计划帮助下于1996年成立了硬铬代用团队,验证用HVOF来代替硬镀铬的必要性和可行性。HVOF是高速氧燃剂的英文缩写,是用氧作燃剂的高速喷涂工艺,在民用上已广泛应用。其喷涂的涂层有耐磨、坚硬以及结合力强的特点,喷涂的典型材料有金属-陶瓷化合物如碳化钨-钴等。HVOF的商品名称有爆炸型喷枪、超级爆炸型喷枪、Diamond Jet和Jet Kote(Stellite公司)。硬镀铬存在的问题硬镀铬已广泛用于制造中,以提高性能;并应用于飞机及燃气涡轮发动机的基地维修中,主要用于经受磨损、腐蚀、表面处理层损伤的修复。不过其应用受到温度的限制,例如,在427℃长时使用会引起氧化,但少数在538℃短时间应用是例外。镀硬铬是将零件放在铬酸溶液中,将6价镀还原成金属铬而沉积在零件表面上。硬镀铬是一种低效过程,会在电极上产生大量气体,从而形成含6价铬的雾气,这种雾气是一种致癌物质,是一项影响环境、安全及职业健康的问题。美国目前的职业安全健康局的空气标准规定它的允许极限为0.1mg/m3。OSHA的研究表明,当极限值为0.051mg/m3时,在1000名镀铬工人中,估计有285~342人因此而死亡。这个数字比石棉的致癌率还高一些。OSHA还讨论了0.005mg/m3~ 0.0005mg/m3的容许极限值,曾计划在1999年10月用法律加以规定,但是这个规定因受到反对而临时后延。另一个也许还未受到足够注意的硬镀铬环境问题是,进入处理工厂的废水中的6价铬的容许浓度问题。美国环保局原计划2002年12月前通过立法颁布新的极限标准。现有的EPA关于金属表面处理标准(CFR40,433部)中规定了铬的总量,但未对6价铬加以区分。铬总量的每日最大极限量为2.77mg/L,月平均极限为1.71mg/L。金属产品及机械类条例拟定的极限值限额为每日0.3mg/L,月平均为0.2mg/L。目前这些拟议中的极限值正在进一步进行公众听证。在寻找其他可以作为硬镀铬代用工艺之前,要了解硬镀铬在飞机及发动机的应用情况。硬镀铬的主要应用方式有以下几种。作为耐磨涂层,一般由制造商采用,厚度为25~100μm,大多都用于零件外部耐磨区。作为修补涂层,用于使磨损或切削加工件,使其恢复到规定尺寸。作为许多零件内部的防蚀和防磨,一般为薄的致密镀铬层,厚度为5~10μm。硬镀铬在飞机上的应用主要有以下部位。·飞机起落架作动筒、轴及销子·液压驱动器杆·发动机轴·其他由于零件型别及用途上的特点,有许多涂层不能用作代替硬镀铬,其中有化学气相沉积、真空离子镀、溅射及阴极电弧沉积等。目前广泛看好的代用涂层是热喷涂涂层,特别是HVOF热喷涂涂层。原因是这种涂层的孔隙率小,小于1%;结合强度高,大于80MPa,氧含量小于1%。HVOF的另一个显著优点是高的沉积速率,大约每分钟50μm。例如,波音737的起落架作动筒采用WC/Co涂层,作动筒长1.5m,内径0.1m,形成100μm厚的涂层所需时间不到20分钟。在飞机起落架上的验证为了验证HVOF能否用于起落架的硬镀铬的代用涂层,由美国与加拿大制订了联合计划。1997年,加拿大国防部及加拿大工业部已对HCAT计划感兴趣,这是因为加拿大国防部有大量军机,加拿大公司制造的起落架占北美的2/3以上。美加双方组成了合作团队。用三种材料制的起落架和两种型别的HVOF涂层进行了评估试验。美国团队评估了WC/Co,加拿大团队评估了WC/CoCr(86%/10%/-4%),基体材料为4340、300M和Aemet100系列钢。试验包括疲劳、腐蚀及氢脆。硬镀铬按军标1501进行,HVOF按波音飞机公司标准5851、2类1型进行,用氢作燃料气体。涂层厚度规定为75μm或25μm。该涂层的疲劳及耐磨试验表明:HOVF WC/Co涂层的疲劳、耐磨及耐蚀性优于硬镀铬。同时进行了试飞。P-3飞机起落架的作动筒活塞采用了100μm的WC/Co涂层,经过241次着陆试验未发现有性能下降迹象。另外,在海军的EA-6B攻击机的起落架活塞上用涂层进行了试验。随着经验的积累,将加速这种涂层在制造及在军用维修中的应用,在提高性能的同时降低了飞机的总成本。目前,F/A-18E/F起落架上几个零件正在波音公司进行HOVF涂层试验。在燃气涡轮发动机上的验证2000年,美国镀铬代用团队与国防部的推进环境工作小组联合解决燃气涡轮上的硬镀铬代用问题,组织空军后勤中心与发动机制造商制订了发动机的代用计划,为期3年投资300万美元以上,从2000年开始进行研究可验证工作。成立了国防部与制造商的联合团队,在头一年半进行调研,目标是在军用维修基地取消镀铬。首先是发动机制造商以及发动机维修库制订了减少6价铬使用的计划。表1列出国防武器系统的燃气涡轮发动机中使用硬镀铬的情况。调查的燃气涡轮发动机有J52、T56、T58、T64、T400、T700、TF30、F33、TF34、TF39、F100、F101、F110、F118、F404、F406和LM2500。首先是调查硬镀铬可用HVOF或空气等离子热喷涂代替的零件。目前估计大约70%的硬镀铬零件可以采用热喷涂。总计282个镀铬零件可以改用热喷涂。一台发动机上镀铬零件最多的有42件,最少的为3件。其中大多数零件可以根据功能分成几组,包括轴、壳体、齿轮、密封件等。表2为通用电气公司燃气涡轮发动机上可以用HVOF及APS代替的零件组,表中列出了零件用的材料。硬镀铬代用团队关于涡轮发动机上的硬镀铬作用计划与该团队在飞机上的代用计划有两个主要区别。一是涡轮发动机是一整套系统,其中各零件的设计、工作条件及基体金属互相间有很大不同。而飞机零件上的硬铬代用计划重点放在特定系列零件上,其工作条件类似、但材料有所不同的零件。燃气涡轮零件广泛采用的基体材料如表3所列。另一个区别是涡轮发动机代用计划中除HVOF外广泛考虑采用其他热喷涂法。这里有多方面的原因。虽然热喷涂应用较广泛,但应选择最佳方案。维修基地不一定都有HVOF设备,或者,当有紧急任务时,现场没有HVOF设备。APS设备可作为一种代替方案,增加了选择上的灵活性。APS涂层在一些民用中已成功用于替代硬镀铬。用APS还是采用HVOF要根据具体的应用在代用成本与寿命成本之间寻求平衡。有两种可供选择的方案增加了灵活性。涂层广泛用于涡轮发动机的耐磨。可供代替硬镀铬的有6种涂层。其中HVOF涂层有WC-17Co,Cr3C2- 20NiCr,Co-28Mo -17Cr-3Si,Co-28Mo -8Cr2-2Si。APS涂层有WC- 17Co和Co-28Mo-8Cr -2Si。这些涂层均由粉末组成,按重量百分计。在考虑燃气涡轮发动机零件的硬镀铬代用时,先要了解其硬镀铬的用意及功能。硬镀铬有可能是由原始新零件设计的结果,也可能是由于发动机维修时引入的。采用硬镀铬的目的的无非是提供承载表面、高精度公差磨削所需的尺寸增加,或者切削尺寸不符合要求时的矫正,以及耐蚀、耐磨等。目前,关于在燃气涡轮发动机的硬镀铬代用问题,已在美国国防部的维修基地进行了大量工作,已在6个维修基地对232个零件进行了认证工作,对代用涂层进行了选择,制订了验证试验工作计划。这些计划的实施将显著减少硬镀铬在维修基地的应用。

〔据www.afrl.af.mil 2005年6月9日报道〕美国空军研究实验室最近通过评估,验证了两种冷喷涂沉积技术,将碳化钨-钴涂料用于飞机的高强度钢组件成为可能。如果接下来的试验能够成功的话,这些技术将会作为电解硬铬电镀的替代方法。美国空军空勤中心在修理改造损坏的飞机起落架组件、液压缸传动装置、螺旋桨毂组件以及燃气涡轮机时广泛使用的是EHC电镀工艺。镀铬能够提供好的金属特性,例如硬度、耐磨性、抗腐蚀性以及光滑度。然而,EHC电镀使用的六价铬是一种众所周知的致癌物质;因此,联邦管理局对于它的使用和处理有严格的控制。为了遵守这些规范,导致了处理费用的增加,同时还会增加美国空军的责任和风险。美国空军和国防部的其他部门目前正在研究使用WC-Co高速火焰热喷涂来取代EHC电镀。实验室工程师们启动了几个项目来验证并确认HVOF热喷涂法的性能和局限性。他们确认当高强度钢基层(substrate)被附加上高于190ksi的压力之后,使用HVOF热喷涂法的WC-Co将会出现裂缝,分层并碎裂。在HVOP的应用过程中,涂层材料所经历的高温将会使WC产生易碎相位,同时还会使涂层材料处于较高的内部压力之下。冷喷涂沉积处理在低温下进行,能够生成与EHC电镀类似的具有延展性的涂层。由于这次初始评估的良好结果,实验室将实施更全面的验证和确认计划,来确定通过最佳工艺过程实现的涂层的机械特性。冷喷涂技术将会有助于减少环境依赖,危险废料的排放,以及美国在继续使用EHC电镀时所面临的工作安全性方面的挑战。

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