CN104995326A

CN104995326A - 制造包含基材和基材涂层的飞行器部件的方法

Info

Publication number: CN104995326A
Application number: CN201480008893.2A
Authority: CN
Inventors: F·莫纳里-穆林; R·盖杜
Original assignee: Messier Bugatti Dowty SA
Current assignee: Safran Landing Systems SAS
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: ES2746158T3; MX2015010494A; CN104995326B; CA2900816C; FR3002239B1; CA2900816A1; FR3002239A1; EP2956564A1; BR112015019665A2; EP2956564B1; US20160032440A1; WO2014125045A1

Abstract

一种制造部件(1)的方法，所述部件(1)包括至少部分被涂层(Coat)覆盖的金属基材(Sub)，所述方法包括：对用于进行覆盖的基材(Sub)的表面进行制备，以获得具有粗糙度Ra的经制备的表面，所述Ra为0.6-1.6μm，优选0.8-1.6μm；在基材的经制备的表面上形成(C)涂层(Coat)，该涂层(Coat)通过喷涂形成，采用HVOF型喷涂法来喷涂含有金属碳化物颗粒(G)的粉末混合物，所述颗粒(G)具有严格小于1μm的尺寸，并且以这种方式形成的涂层(Coat)的厚度(Thk最小)小于50μm；然后通过抛光(D)对所述涂层(Coat)的至少一个表面进行精整，该精整的方式确保其粗糙度Ra小于1.6μm。

Description

制造包含基材和基材涂层的飞行器部件的方法

本发明涉及制造部件(例如航空部件)的方法，所述部件包含基材，所述基材至少部分涂覆有对基材进行保护的涂层。

发明背景

举例来说，制造部件的方法是已知的，包括通过金属浴的方式向金属基材上施涂铬涂层，涂层同时起了保护基材以及使其具有功能粗糙度的作用。希望使得铬磨损最小化，因为其对于健康和环境是有害的。

发明目的

本发明的目的是提出一种制造部件的方法，所述部件包括基材和形成在基材表面上的一层涂层，所述方法能够使得涂层中任意的铬需求最小化(优选消除该需求)。

发明概述

本发明基本上涉及一种制造部件的方法，所述部件包括至少部分被涂层覆盖的金属基材，所述方法包括：

制备用于覆盖的基材表面，从而获得具有粗糙度Ra的经制备的表面，Ra是0.6微米(μm)至1.6μm，优选0.8-1.6μm；

在基材的经制备的表面上形成涂层，该涂层通过喷涂形成，其采用高速氧燃料(HVOF)型喷涂方法来喷涂含至少一种金属碳化物的颗粒的粉末混合物，所述颗粒的尺寸严格地小于1μm，并且以这种方式形成的涂层的厚度小于50μm；然后

通过抛光(D)对所述涂层的至少一个表面进行精整，该精整使得确保其粗糙度Ra小于1.6μm。

为了确保已经形成的涂层的厚度确实落在预定厚度范围内，通过感应或通过涡流在多个点位进行测量，从而获得层的最小和最大厚度值(粗糙度谷)。进行本发明的方法所要求的层的厚度值是这些各个点位测量的平均值，应理解的是，所有点位测量都不可以超过55μm的层厚度。

为了理解本发明，粗糙度Ra是具有测得的粗糙度的表面轮廓和轮廓的平均线之间的算术平均差。通过采用下文所述的方法，沿着轮廓进行一系列测量，获得该粗糙度Ra的值。

HVOF型喷涂法是通过采用经由点燃燃料与氧化剂获得的燃烧气体，来喷涂含颗粒的粉末混合物的方法。此类气体的速度和温度使得混合物的颗粒被粉碎化(此处是金属碳化物的颗粒)，将它们以足够的能量喷射到基材上并与其附着，从而在基材上形成涂层。通常，在HVOF喷涂法中，燃烧气体具有超音速。

令人惊讶的是，通过小的层厚度(小于50μm，优选大于30μm)与小的颗粒尺寸(对于平均颗粒尺寸，尺寸严格地小于1μm，优选约为450纳米(nm)±50nm，其中平均颗粒尺寸是至少50重量％的颗粒的颗粒尺寸)以及小于1.6μm的基材粗糙度Ra水平，本发明获得了以下数个优势：

A降低了形成在基材上的层破裂/脱离的风险；

B维持了免受腐蚀的保护水平；以及

C降低了对层进行喷涂所需的时间并降低了以这种方式形成的层的重量。

应观察到的是，本发明能够省略研磨步骤，所述研磨步骤常用于调节涂层的形状并用于调节其表面状态。因而，本发明的方法可以通过喷涂步骤产生层厚度，所述层厚度直接是所需尺寸外加一点点多余的部分，该一点点多余的部分通过抛光去除，而无需任意研磨调节该尺寸。应观察到的是，通过抛光(polishing)对涂层进行精整(finishing)的步骤去除的厚度严格地小于20μm，优选为5-10μm(该值对应多余的厚度)，而研磨(grinding)去除至少30μm，因而这两个操作在其作用上而言是不同的。

A作为重复的机械应力的结果，降低了层破裂/脱离的风险

在包含基材和层的组件上的重复机械应力的作用下，涂层倾向于在其厚度方向开裂，然后一点一点地变得分层并以片状脱离。这种现象被称为“散裂”。通过增加层厚度和增加施加到层的应力，该散裂现象变得更为糟糕。因此且令人惊讶的是，本发明的方法能够增加层耐受应力的能力，即使它涉及降低层厚度。

发现通过降低颗粒尺寸，获得了更好的微结构，其相比于采用常规尺寸的颗粒(平均颗粒尺寸大于5μm)具有更好的抗散裂性。

发现通过降低层厚度，还降低了散裂现象，因为层具有较少的横向开裂的倾向并且在界面处传输的总剪切力较小。

因而，通过限制颗粒尺寸和层厚度，并且通过在施加层之前调节基材粗糙度，本发明限制了任何散裂的风险。

虽然层厚度通常大于75μm，但是发现通过将其厚度降低至小于50μm，本发明限制了由于散裂结果所导致的基材腐蚀。

B维持或甚至改善抗腐蚀保护

如上文所述，通过加热并将粉末混合物喷涂到用于涂覆的基材上获得涂层。到达基材的粉末混合物是熔融状态或者至少是软化状态的滴落物的形式。每个滴落物在基材上变平，并形成一个或多个片状颗粒。本领域技术人员通常将这些片状颗粒称作“啪溅物(splat)”。发现通过限制粉末混合物中存在的碳化物颗粒的平均尺寸，获得更好的微结构，比通过喷涂较大平均尺寸的碳化物颗粒具有更多数量的片状颗粒。

因此，通过本发明的方法制造的层的厚度为30-50μm，并且其含有金属碳化物颗粒，该金属碳化物颗粒的尺寸小于1μm，优选小于600nm，更优选小于450nm，并且优选具有400nm±50nm的平均颗粒尺寸，存在的重叠片状颗粒的平均数量不小于采用尺寸为数微米的颗粒获得的75μm涂层中的颗粒数量。

对于恒定层厚度，通过增加重叠片状颗粒的平均数量，降低了出现通过层的通道的风险，因而维持了抗腐蚀的保护水平至少等同于更大、且采用具有数微米尺寸的颗粒制造的层厚度的水平。

C降低喷涂所需时间并降低所得到的层的重量

此外，通过限制层厚度，本发明能够使得部件轻量化，而不有损其抗腐蚀能力。

出于所有这些原因，本发明的方法特别适用于保护飞行器起落架杆，其需要轻的重量(为了降低飞行器燃料消耗)、能够耐受变化的机械负荷、能够耐受大的温度变化以及具有良好的抗腐蚀性，同时限制任何出现散裂的风险(这会导致液压机液体受到来自涂层的颗粒的污染并导致失去密封)。

附图说明

通过参考附图结合以下具体实践方式的描述，可以更好地理解本发明，其中：

图1显示采用本发明的方法制造的部件，具体地，是具有圆柱形表面部分的起落架杆，所述圆柱形表面部分覆盖有环形涂层，所述环形涂层的作用是提供抗腐蚀保护和提供使得垫圈滑动的表面；

图2是图1的起落架杆的部分放大截面图，其显示基材和涂层；以及

图3是显示本发明的方法步骤的逻辑图。

具体实施方式

如上文所述，本发明的制造方法优选用于生产起落架杆1。该起落架杆通常是由加工成存在至少一个正面圆柱形部分(right cylindrical portion)的锻件制得的。该正面圆柱形部分基材(Sub)涂覆有环形涂层Rev，该环形涂层Rev靠着垫圈J摩擦，以允许杆1相对于起落架的压杆F滑动。该涂层Rev必须同时为杆1提供抗腐蚀性保护以及提供杆1和压杆F之间的密封，从而限制任意液压机液体泄漏的风险。

应观察到的是，基材Sub是钢或钛型金属合金。

从图3可以看出，制造部件1的方法包括：

A制备(制备基材(Prepa Sub))：制备基材(Sub)的用于覆盖的表面S，该制备方式使得其粗糙度Ra为0.6-1.6μm，优选0.8-1.6μm；

B测量(测量Ra1(Mes Ra1))：以确保经制备的表面确实具有所需的粗糙度Ra1；然后

C形成(投射(Proj))：在基材的经制备的表面S上形成涂层Rev，该涂层Rev通过粉末混合物的HVOF型喷涂投射(Proj)形成，所述粉末混合物含有金属碳化物的颗粒G，这些颗粒G的尺寸严格地小于1μm，并且以这种方式形成的涂层Rev的最小厚度(Ep最小)小于50μm且大于30μm；以及然后

通过抛光D对所述涂层Rev的至少一个表面S2进行精整(精整Rev(FinitRev))，从而确保其粗糙度Ra小于1.6μm(涂层Rev的粗糙度Ra记作Ra2)。

通过喷砂进行制备基材Sub的表面S的步骤A。

通过粉末混合物的HVOF喷涂进行形成涂层的步骤C。粉末混合物含有涂在粘合剂中的金属碳化物的颗粒，具体地，涂覆在钴(Co)和铬(Cr)中的碳化钨(WC)。钴(Co)作为粘合剂，铬(Cr)提供抗氧化性保护。该粉末混合物是团结体/团聚体的形式，其具有小于50μm的最大颗粒尺寸，以及优选10-30μm的平均颗粒尺寸(超过50重量％的粉末混合物是由颗粒尺寸为10-30μm的团聚体构成的)。团结体通常通过烧结制得，从而在碳化物和粘合剂材料之间产生桥接。通常在烘箱中进行烧结，从而使得粘合剂熔化而不使得金属碳化物的颗粒发生脱碳化(decarbiding)。

理想地，粉末混合物中存在的金属碳化物WC的颗粒经校准，以具有严格小于1μm，优选小于600nm，优选小于450nm的尺寸。理想地，颗粒的平均颗粒尺寸为400nm±50nm。

在形成具有所需厚度的涂层Rev之后，通过带方式进行抛光操作D(精整Rev(Finit Rev))。该步骤起了使得差附着的颗粒脱离的作用，并且确保粗糙度水平Ra2小于1.6μm。在抛光过程中，层减少不超过10μm。因而，层Rev在抛光之后的最小厚度(Ep最小)大于20μm。

以这种方式，形成的环形涂层含有尺寸全都小于1μm的金属碳化物颗粒，以及钴、铬粘合剂。应观察到的是，可以用含有至少一种金属碳化物和至少一种粘合剂的其他类型的化学组合物进行本发明。组合物可能的例子可以是，WCCo，其是83％的WC和17％的Co的混合物的形式，或者是88％的WC和12％的Co的混合物的形式，并且还可以是WCCrC Ni。

应观察到的是，通常需要对层进行研磨的步骤，从而对层进行纠正，即，使得层获得给定的形状和表面状态。

不幸的是，对在正面圆柱形状的部分上形成的环形层进行研磨需要层具有相当的厚度，从而确保在研磨之后，在基材上保留有部分的层的最小厚度。

通过消除对环形层进行研磨的步骤，本发明的方法能够直接获得所需的层厚度，而无需进行研磨，从而消除了由于研磨导致的缺陷的风险(对圆柱形环形层进行研磨常常导致层过薄的区域，这是因为部件在研磨机器上的位置的不确定性，并且这些区域难以检测但是可能导致基材的过早腐蚀)。本发明能够消除这种使得层具有无法检测的局部过薄的风险。

从图3可以看出，在基材(Sub)上形成涂层Rev之前，进行基材(Sub)的表面S的粗糙度Ra1的测量B(测量Ra1(Mes Ra1))。如果该测得的粗糙度Ra1位于预定的最小阈值和最大阈值之间，则可以形成涂层Rev。反之，如果基材的表面S所测得的粗糙度小于最小预定阈值或大于最大预定阈值，则继续对表面S进行制备，直至它的粗糙度处于预定的最小阈值和最大阈值之间。

最小阈值是0.6μm或优选0.8μm，最大阈值是1.6μm。设定最小阈值以确保喷涂到表面S上的颗粒G牢固地附着。

设定最大阈值从而限制由于基材(Sub)的表面S中的粗糙度缺陷R1导致的涂层Rev的表面S2的降解。由于涂层Rev是薄的(小于50μm)，并且由于相对于期待的粗糙度值Ra(小于1.6μm)颗粒具有小的颗粒尺寸(小于1μm)，在HVOF喷涂之后获得的表面S2的粗糙度与表面S的表面R1的粗糙度是基本一样的。这解释了将S的粗糙度R1设定1.6μm的最大阈值的好处，这是涂层Rev的表面S2所需的粗糙度阈值。然后仅仅对涂层的表面S2进行抛光就能够获得所需的1.6μm的粗糙度。

因此，通过使用本发明的方法获得的飞行器起落架杆存在具有涂层Rev的圆柱形区域，其在维氏规格上的硬度大于950Hv，这足以限制垫圈J的摩擦磨损。

此外，通过将层厚度限制为50μm，优选位于30-50μm，获得了平均1μm尺寸至少20个涂覆的颗粒的重叠。由于该重叠，获得了抗腐蚀性保护，该抗腐蚀性保护与至少暴露于500小时的盐雾的部件相当。

测量粗糙度Ra

应重申表面的粗糙度Ra是表面的轮廓和长度L的轮廓的平均线X0之间的算术平均差。Ra值通过下式得到：

R a = \frac{1}{L} {&Integral;}_{0}^{L} | y (x) | d x

其中，

L表示测量的轮廓的基准长度；

n表示沿着轮廓的长度L进行测量的数量；以及

y(x)是沿着横坐标值x的轮廓位置处，轮廓的平均线X0与轮廓之间的距离(其中，x在0至L之间)。

平均线X0是在进行粗糙度测量的轮廓的长度上，与轮廓具有大致相同方向的直线。从图2可以看出，该线X0以如下方式划分轮廓，在基准长度L上，轮廓与该线之差的平方和最小化(“最小二乘线”)。换言之，该线X0的位置使得在轮廓的横截平面的长度L上，线X0两侧的平均线X0和轮廓之间的面积之和相等。

该Ra值也可近似为下式：

R a \approx \frac{| y 1 | + ... + | y n |}{n}

其中，

yn是在第n次测量时，轮廓的平均线X0和测量的轮廓之间的距离。沿着测量轮廓的长度L，测量数字从1到n。可以使用任一这些用于测量粗糙度Ra的测量技术来进行本发明，但是优选第二种技术，因为它不需要待测轮廓是连续的。

在图2中，其是基材(Sub)的轮廓Psub的截面图，可以看出相对于平均线X0的轮廓差异P的测量值y1和yn，以及Y最小和Y最大。

Y最小对应轮廓P的谷的线Ca与X0之间的最大差异。

Y最大对应轮廓的顶部的线Cb与X0之间的最大差异。

Rz是轮廓的最大高度，并且等于Y最小+Y最大。

X1是涂层Rev的轮廓的平均线。

如上文所述，并且令人惊讶的是，通过调节基材的粗糙度并通过降低层厚度，发现这种层与具有更大厚度的层能够更好地耐受散裂。

通过所有这些特性的方式，本发明的方法可以获得较轻重量的最终部件，并且其更便宜、更为坚固，同时保持了部件1和垫圈J之间的良好密封所需的完整性。

应观察到的是，所使用的碳化物可以由除了碳化钨之外类型的金属碳化物制造，并且粘合剂材料可以由除了铬和钴之外的材料制造。

Claims

1.一种制造部件(1)的方法，所述部件(1)包括至少部分被涂层(Rev)覆盖的金属基材(Sub)，所述方法包括：

制备(A)用于进行覆盖的基材(Sub)表面，从而获得表面粗糙度Ra为0.6-1.6μm，优选0.8-1.6μm的经制备的表面；

在基材的所述经制备的表面上形成(C)涂层，该涂层(Rev)通过喷涂形成，其采用HVOF型喷涂方法来喷涂含金属碳化物的颗粒(G)的粉末混合物，所述颗粒(G)的尺寸严格地小于1μm，使得以这种方式形成的涂层(Rev)的厚度(Ep最小)小于50μm；然后

通过抛光(D)对所述涂层(Rev)的至少一个表面进行精整，该精整使得确保其粗糙度Ra小于1.6μm。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制备(A)用于进行覆盖的基材(Sub)的表面通过喷砂进行。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，形成的所述涂层的厚度为30-50μm，并且所述金属碳化物颗粒的尺寸小于600nm，优选小于450nm。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述部件是飞行器起落架杆，所述涂层是环形的，并且覆盖所述部件的正面圆柱形部分。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述基材(Sub)上形成所述涂层(Rev)之前，对所述基材(Sub)的表面(S)的粗糙度(Ra1)进行测量(B)，如果该测得的粗糙度在预定的最小阈值和最大阈值之间，则能形成涂层，而如果该测得的基材表面的粗糙度小于所述预定的最小阈值或大于所述预定的最大阈值，则继续所述表面的制备，直至它测得的粗糙度(Ra1)处于所述预定的最小阈值和最大阈值之间。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于，所述基材(Sub)的金属合金是钢合金或钛合金。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，通过使用研磨剂的带的方式进行所述抛光操作(D)。

8.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述粉末混合物包括金属碳化物和用于所述碳化物的粘合剂。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述金属碳化物是WC，所述粘合剂包括Co和Cr。

10.如前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述粉末混合物是团结体的形式，该团结体具有小于50μm的最大颗粒尺寸，优选至少50重量％的所述粉末混合物是由颗粒尺寸为10-30μm的团结体构成的。

11.一种部件，其根据权利要求1-7中任一项所述的方法制造的。