我廠生產(chǎn)的某沖壓渦輪是空中加油機(jī)加油吊艙的動(dòng)力裝置，其可變槳距的沖壓渦輪直接驅(qū)動(dòng)離心燃油泵，提供液壓動(dòng)力與壓力燃油，以完成軟管放出、燃油輸送、軟管回繞等空中加油的技術(shù)動(dòng)作。
由于沖壓渦輪無潤滑系統(tǒng)，而裝配時(shí)采用的潤滑油脂在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下甩出，起不到長(zhǎng)期潤滑防護(hù)作用。以前經(jīng)500h/5年飛行后返廠的渦輪葉片安裝座、軸承等部件銹蝕嚴(yán)重，只能全部報(bào)廢、更換，根本無法保證安全飛行1000h/10年的使用要求。因此，為確保此類沖壓渦輪延壽工作的順利進(jìn)行，必須提高葉片安裝座（含滾珠及軸承內(nèi)外環(huán)）等部件的表面防護(hù)能力。
1.零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及防護(hù)方案
由于葉片安裝座、軸承滾子、滾珠及軸承內(nèi)、外環(huán)本身的工作面（見附圖）表面粗糙度值低于Ra=0.2μm，尺寸精度和零件間配合尺寸的要求都很高，防護(hù)層不允許有厚度；且軸承零件分別由組織不穩(wěn)定的GCr15材料及表面滲碳的18Cr2Ni4WA材料加工而成，處理溫度必須小于150℃。因此，我分廠有關(guān)技術(shù)人員經(jīng)過充分調(diào)研和討論，初步擬定以下3套備選方案，建議經(jīng)可行性論證及試車考核后，擇優(yōu)選用。
葉片安裝座
軸承內(nèi)環(huán)
（1）零件表面離子注入防護(hù)、耐磨材料
離子注入技術(shù)是近年才發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)表面處理技術(shù)，主要作為提高零件的表面防護(hù)和耐磨性能。由于該技術(shù)是在常溫真空條件下，對(duì)需處理零件的表面以離子態(tài)注入氮化鉻（CrN）等物質(zhì)，不會(huì)造成零件變形，不影響零件的尺寸精度，零件表面硬度高，耐磨性好，可以大幅提高零件的使用壽命，不存在我們所擔(dān)心的涂鍍層結(jié)合力和氫脆問題。該技術(shù)可在復(fù)雜零件表面整體或局部均勻進(jìn)行離子注入，因不需要改變零件設(shè)計(jì)尺寸，零件也不需要進(jìn)行滲碳處理。
經(jīng)離子注入的零件表面防護(hù)性能優(yōu)越，可以確保葉片安裝座及其軸承內(nèi)、外環(huán)等零件在較惡劣條件下長(zhǎng)期使用。缺點(diǎn)是該技術(shù)的使用成本較高，預(yù)計(jì)處理一套軸承的成本約1000～2000元，但由于可以省去滲碳工序，成本增加不多，且技術(shù)成熟，航空系統(tǒng)已有多家運(yùn)用。
（2）零件表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳保護(hù)
該方案可選鍍薄鎳和厚鎳，薄鎳是在零件表面鍍鎳0.5～1.0mm以保護(hù)基體，不進(jìn)行二次加工，但零件仍需要進(jìn)行滲碳處理，鍍層與滲透面的結(jié)合力有一定影響，防護(hù)效果和耐磨性略差，優(yōu)點(diǎn)是工藝尺寸可以不進(jìn)行改動(dòng)，相對(duì)成本增加較少。厚鎳是在需防護(hù)、耐磨的零件表面鍍一層數(shù)十微米以上的化學(xué)鎳，在250℃以上進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行精加工，軸承內(nèi)、外環(huán)及葉片安裝座材料（18Cr2Ni4WA）可以進(jìn)行250℃熱處理，因存在顯微應(yīng)力變形問題，對(duì)要求很高的軸承內(nèi)、外環(huán)需要二次精加工。
但軸承滾珠因材料（GCr15）組織的不穩(wěn)定性，不能進(jìn)行高溫?zé)崽幚恚鄬?duì)硬度低些，耐磨性略有影響，厚鎳相對(duì)成本較高，主要是加工周期長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)鍍鎳層致密，結(jié)合力好，防護(hù)性能優(yōu)越，鍍厚鎳零件部需要進(jìn)行滲碳處理，但要求工藝預(yù)留鍍層尺寸。
（3）鍍犧牲性陽極進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)
在零件非工作面進(jìn)行鍍鋅處理，對(duì)零件進(jìn)行陽極保護(hù)，會(huì)有一定的效果，但難以保證渦輪10年翻修壽命，由于此方案成本低廉、可操作性強(qiáng)，對(duì)改善現(xiàn)狀是有一定的意義。
綜合以上3種表面防護(hù)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，離子注入是目前行之有效的首選方案。
2.離子注入技術(shù)
目前，世界上直升機(jī)制造技術(shù)比較先進(jìn)的主要有美國、意大利、俄羅斯、法國、英國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家。其中在直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承領(lǐng)域中，代表當(dāng)今制造技術(shù)水平的典型機(jī)種有RAH－66(科曼奇)、V－22(魚鷹)、卡－50、米－28、“虎”、A129、NH90等。這些國家為了提高航空軸承的耐腐蝕、抗磨損性能和無油潤滑運(yùn)轉(zhuǎn)能力，在傳動(dòng)系統(tǒng)的軸承上均采用特殊工藝做了表面處理。以美國海軍實(shí)驗(yàn)室為例，早在1979年就開始研究用Cr離子注入技術(shù)對(duì)軸承進(jìn)行表面改性，以此來提高軸承的耐腐蝕和抗磨損性能。他們利用離子注入改性過的軸承，已經(jīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和齒輪箱的軸承上。英國也早在70年代就開始利用離子注入技術(shù)提高軸承的壽命。
1995年，位于英國的NSK－RHP歐洲軸承研究中心也發(fā)表了他們的研究成果。在模擬飛機(jī)起飛時(shí)燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承的工作條件下，用Cr離子注入使發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承（M50鋼）的防腐性能有很大改善 。
國內(nèi)不少高等學(xué)校、研究院所和有關(guān)企業(yè)，也都曾用離子注入技術(shù)對(duì)軸承鋼材料進(jìn)行了有關(guān)改善摩擦磨損和耐腐蝕等性能方面的研究，在軸承使用壽命方面也取得了很好的效果。
3. 技術(shù)要求
為了滿足零件的安全使用需求，保證零件原有的工作性能，提高零件的耐腐蝕性能，離子注入必須滿足以下技術(shù)指標(biāo)：
①離子注入層能承受的工作溫度為-45℃～150℃。
②不改變零件的狀態(tài)和幾何尺寸。
③離子注入層與基體的結(jié)合力好，工作不剝落。④離子注入層的均勻性≥85%，不改變表面粗糙度。
⑤離子注入層的表面顯微硬度大于1000HK。
⑥經(jīng)離子注入試樣的防腐性能較未進(jìn)行離子注入（現(xiàn)狀）的提高15倍以上；軸承經(jīng)臺(tái)架磨合試驗(yàn)后，較未進(jìn)行離子注入的軸承提高5倍以上（按GB5938－1986或GB/T10125進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)）。
4. 技術(shù)措施及方法
在用離子注入技術(shù)改善葉片安裝座、軸承的耐腐蝕性能方面，我廠與高校、院所合作，對(duì)相關(guān)材料的試片分別注入Ta、TaN、Cr和CrN等，并應(yīng)用鹽霧試驗(yàn)對(duì)離子注入試片進(jìn)行防護(hù)性能檢測(cè)。根據(jù)試片防護(hù)性能檢測(cè)情況，選擇在零件表面分別注入Ta、TaN、Cr和CrN等元素進(jìn)行磨合，并對(duì)注入零件進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)防護(hù)性能檢測(cè)，綜合比較，擇優(yōu)選用。
（1）鹽霧試驗(yàn)條件
溫度35℃，（5%±1%）NaCl溶液，鹽溶液pH值為6.5～7.2，鹽霧沉降率為1.0～2.0ml/80cm2·h。
（2）試驗(yàn)周期
連續(xù)噴霧8h，靜置16h作為一周期。
（3）評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)GB/T6461－2002《金屬基體上金屬和其他無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗(yàn)后的試樣和試件評(píng)級(jí)》進(jìn)行評(píng)級(jí)。
（4）試驗(yàn)結(jié)果
試片防護(hù)性能檢測(cè)結(jié)果顯示：①相關(guān)材料的試片經(jīng)以離子態(tài)注入Ta，通過鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)，防護(hù)性能提高近15倍。②相關(guān)材料的試片經(jīng)以離子態(tài)注入Ta和TaN，通過鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)，防護(hù)性能分別提高近15倍和10倍。③相關(guān)材料的試片經(jīng)以離子態(tài)注入CrN，通過鹽霧試驗(yàn)檢測(cè)，防護(hù)性能提高近20倍。
零件防護(hù)性能檢測(cè)結(jié)果表明：注入Ta、TaN、Cr和CrN都能使葉片安裝座及軸承的耐腐蝕性能提高10倍以上。其中CrN除了能大幅提高耐腐蝕性能以外，其表面顯微硬度和抗磨性能也得到明顯提高。這對(duì)于既需要耐蝕，又要求耐磨的葉片安裝座、航空軸承來說是很重要。
5．結(jié)語
（1）渦輪零件相關(guān)材料的試片經(jīng)離子注入CrN，防護(hù)性能提高近20倍，明顯優(yōu)于注入其他元素。
（2）渦輪相關(guān)零件經(jīng)離子注入CrN防護(hù)性能提高近12倍，明顯優(yōu)于注入其他元素。
（3）同種材料，經(jīng)相同的處理，試片的防護(hù)性能優(yōu)于零件的防護(hù)性能，原因是零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面易沉積溶液，致使零件表面孔蝕加劇，腐蝕加快。同時(shí)，由于零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使零件注入面均勻，需不停的旋轉(zhuǎn)零件，這導(dǎo)致在相同的注入時(shí)間內(nèi)零件注入面厚度要比試片薄，使零件的防護(hù)性能相對(duì)較低。
（4）沖壓渦輪葉片安裝座、軸承等零件離子注入CrN后，大幅度提高了耐腐蝕性能，同時(shí)其表面顯微硬度和抗磨性能也得到明顯提高，能夠滿足飛行1000h/10年的使用要求。
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