直升机发动机传动系部件的表面镀铬工艺的研究
2022-06-08
引言
作为直升机的的动力提供装置，直升机发动机可以认为是直升机的核心部件之一，而发动机与螺旋桨操纵部分的动力传递是通过发动机传动系统实现的。传动系统由三轴两器组成。三轴指的是尾桨轴、主传动轴和主旋翼轴，两器指的是两个减速器，主减速器和尾减速器。发动机通过传动轴和联轴器与主减速器连接，进行动力的传递，主减速器也通过传动轴和联轴器与尾减速器相连最终实现将动力传递给螺旋桨操作部分。在飞行过程中，传动系会受到较大负荷。工作条件十分复杂，而且随着服役时间的推进，传动系各种部件会面临着腐蚀和老化等挑战。零件的尺寸和精度会由于腐蚀而减少和降低，零件的强度也会因此大打折扣，在飞行过程中，一旦发生传动轴断裂等事故，将会对直升机造成巨大威胁，极有可能发生坠机，给用户带来巨大损失。为了提高直升机发动机传动部件的抗腐蚀能力，必须对这些传动部件进行有效的表面处理。
1.表面处理技术与镀铬工艺
常见的表面处理技术包括电镀、化学镀、化学转化膜、喷漆等方法，而电镀技术是目前工业过程中表面处理技术中应用最广泛的一种。电镀的化学原理是给电解液通电，其中的金属离子在电场力的作用下向阴极移动，并不断沉积在阴极材料的表面。电镀工艺不仅可以使得被电镀材料的外观变得美观，还可以增加其耐磨性和耐腐蚀性，此外电镀技术所使用的工艺设备比较简单，镀层的材料也种类众多。电镀工艺可以分为单金属电镀、合金电镀、复合镀、非晶态电镀、激光电镀等。单金属电镀使用的电镀材料可以选择锌、铜、镍、铬等。电镀铬技术可以分为普通镀铬和硬镀铬工艺，前者抛光性能比较好，设备受到的腐蚀性小，溶液也比较容易维护，后者是指镀层厚度在20um以上的镀铬工艺，可以提高耐磨性。合金电镀指的是电镀材料为至少两种元素混合的电镀方法，合金电镀相对于单金属电镀方法难度较大，这是由于不同元素的性质不同，电镀过程中的沉积动力学过程更为复杂。复合镀是指在镀液中加入某些固体粒子，金属离子和固体例子在电场力的作用下沉积到被镀材料表面的方法，由于此时镀层包含了镀层金属和固体粒子，镀层也会具有某些单金属镀层所不具备的优点。通过多年的经验总结发现，镀铬工艺不仅可以满足发动机传动部件的防护性能要求，而且从经济性和技术成熟性方面来看，也是较优选择。
具体来讲，镀铬层具有以下的优点：与其他的单金属电解质得到的电镀层相比，硬度较高，耐磨性能也比较好，此外耐热性能也比较好，在气体和有机酸中的化学稳定性也比较可靠。
镀铬的机理可以从阴极过程和阳极过程两个方面进行分析。阴极过程主要是六价铬在阴极上还原为金属铬的过程，对于这个还原过程，目前有三种观点：第一种是将还原过程分为三步，六价铬首先还原为三价铬，然后三价铬变为二价，最后变为零价；第二种认为铬元素变为三价后就直接还原为零价；第三种则认为还原过程只含有一步，即直接从六价变为零价。当前来讲，第三种观点最为人们接受。镀铬的阳极过程是金属不断溶解的过程，这里使用的金属一般都是可溶性的，如镀铅的铜丝或铜棒等。根据电解的理论，电镀过程顺利进行的基本条件就是阴极铬离子得到的电子数量和阳极的金属失去的电子数量应该是相等的。
对于铬镀层的质量判定，一般包含的方法主要有镀层外观检验、镀层结构分析、镀层厚度检测、镀层硬度检测、孔隙率检测、镀层结合力检测、耐蚀性和耐脆性检测等。外观检验是指观察镀层表面是否有缺陷、粗糙度和光滑度等情况；结构分析可以采用X射线来对镀层的结构进行检测；硬度检测可以显微硬度法进行测量镀铬层的某些参数，然后根据相应的计算公式进行计算；孔隙率指的是镀层的致密程度，可以采用湿润滤纸进行分析；镀层的耐腐蚀性可以使用浓硝酸进行实验，也可以使用三氯化铁溶液进行点蚀实验。
2.不同的基体材料镀铬层的制备方法介绍
直升机发动机传动系部件的材料包含很多种，比如合金钢和铝合金等，对于不同的材料所采用的镀铬工艺流程也有所不同。基体在进行镀铬处理之前需要进行一定的前处理，依据不同的基体材料，所采用的前处理方法也不一样。通常来说，合金钢和铸铁作为基体时，前处理工艺主要是磨光或者抛光、除油和弱腐蚀，磨光是用来提高集体表面的光滑度，而除油是取出表面的油脂等腐蚀物，弱腐蚀的目的是活化基体的表面。而基体是铝合金时，前处理工艺包括化学除油、铬硫酸酸洗、酸蚀法活化腐蚀镀镍。
合金钢和铸铁进行镀铬时首先必须进行预热，这样做的目的是使基体的温度接近与镀液的温度，以避免基体材料由于突然受热而产生暴皮，预热的时间根据实际情况进行设定，一般为1-5分钟。预热滞后就要进行阳极腐蚀，时间为10-60秒，之后就是冲击电流和镀铬。而对于铝合金的镀铬，水洗后，基体要马上带点下槽，然后通入小电流，保持一段时间后，逐渐增加电流。这过程中需要注意的是，基体在下槽时必须带电，以使得表面充分形成铬的金属晶核。
作为直升机的的动力提供装置，直升机发动机可以认为是直升机的核心部件之一，而发动机与螺旋桨操纵部分的动力传递是通过发动机传动系统实现的。传动系统由三轴两器组成。三轴指的是尾桨轴、主传动轴和主旋翼轴，两器指的是两个减速器，主减速器和尾减速器。发动机通过传动轴和联轴器与主减速器连接，进行动力的传递，主减速器也通过传动轴和联轴器与尾减速器相连最终实现将动力传递给螺旋桨操作部分。在飞行过程中，传动系会受到较大负荷。工作条件十分复杂，而且随着服役时间的推进，传动系各种部件会面临着腐蚀和老化等挑战。零件的尺寸和精度会由于腐蚀而减少和降低，零件的强度也会因此大打折扣，在飞行过程中，一旦发生传动轴断裂等事故，将会对直升机造成巨大威胁，极有可能发生坠机，给用户带来巨大损失。为了提高直升机发动机传动部件的抗腐蚀能力，必须对这些传动部件进行有效的表面处理。
1.表面处理技术与镀铬工艺
常见的表面处理技术包括电镀、化学镀、化学转化膜、喷漆等方法，而电镀技术是目前工业过程中表面处理技术中应用最广泛的一种。电镀的化学原理是给电解液通电，其中的金属离子在电场力的作用下向阴极移动，并不断沉积在阴极材料的表面。电镀工艺不仅可以使得被电镀材料的外观变得美观，还可以增加其耐磨性和耐腐蚀性，此外电镀技术所使用的工艺设备比较简单，镀层的材料也种类众多。电镀工艺可以分为单金属电镀、合金电镀、复合镀、非晶态电镀、激光电镀等。单金属电镀使用的电镀材料可以选择锌、铜、镍、铬等。电镀铬技术可以分为普通镀铬和硬镀铬工艺，前者抛光性能比较好，设备受到的腐蚀性小，溶液也比较容易维护，后者是指镀层厚度在20um以上的镀铬工艺，可以提高耐磨性。合金电镀指的是电镀材料为至少两种元素混合的电镀方法，合金电镀相对于单金属电镀方法难度较大，这是由于不同元素的性质不同，电镀过程中的沉积动力学过程更为复杂。复合镀是指在镀液中加入某些固体粒子，金属离子和固体例子在电场力的作用下沉积到被镀材料表面的方法，由于此时镀层包含了镀层金属和固体粒子，镀层也会具有某些单金属镀层所不具备的优点。通过多年的经验总结发现，镀铬工艺不仅可以满足发动机传动部件的防护性能要求，而且从经济性和技术成熟性方面来看，也是较优选择。
具体来讲，镀铬层具有以下的优点：与其他的单金属电解质得到的电镀层相比，硬度较高，耐磨性能也比较好，此外耐热性能也比较好，在气体和有机酸中的化学稳定性也比较可靠。
镀铬的机理可以从阴极过程和阳极过程两个方面进行分析。阴极过程主要是六价铬在阴极上还原为金属铬的过程，对于这个还原过程，目前有三种观点：第一种是将还原过程分为三步，六价铬首先还原为三价铬，然后三价铬变为二价，最后变为零价；第二种认为铬元素变为三价后就直接还原为零价；第三种则认为还原过程只含有一步，即直接从六价变为零价。当前来讲，第三种观点最为人们接受。镀铬的阳极过程是金属不断溶解的过程，这里使用的金属一般都是可溶性的，如镀铅的铜丝或铜棒等。根据电解的理论，电镀过程顺利进行的基本条件就是阴极铬离子得到的电子数量和阳极的金属失去的电子数量应该是相等的。
对于铬镀层的质量判定，一般包含的方法主要有镀层外观检验、镀层结构分析、镀层厚度检测、镀层硬度检测、孔隙率检测、镀层结合力检测、耐蚀性和耐脆性检测等。外观检验是指观察镀层表面是否有缺陷、粗糙度和光滑度等情况；结构分析可以采用X射线来对镀层的结构进行检测；硬度检测可以显微硬度法进行测量镀铬层的某些参数，然后根据相应的计算公式进行计算；孔隙率指的是镀层的致密程度，可以采用湿润滤纸进行分析；镀层的耐腐蚀性可以使用浓硝酸进行实验，也可以使用三氯化铁溶液进行点蚀实验。
2.不同的基体材料镀铬层的制备方法介绍
直升机发动机传动系部件的材料包含很多种，比如合金钢和铝合金等，对于不同的材料所采用的镀铬工艺流程也有所不同。基体在进行镀铬处理之前需要进行一定的前处理，依据不同的基体材料，所采用的前处理方法也不一样。通常来说，合金钢和铸铁作为基体时，前处理工艺主要是磨光或者抛光、除油和弱腐蚀，磨光是用来提高集体表面的光滑度，而除油是取出表面的油脂等腐蚀物，弱腐蚀的目的是活化基体的表面。而基体是铝合金时，前处理工艺包括化学除油、铬硫酸酸洗、酸蚀法活化腐蚀镀镍。
合金钢和铸铁进行镀铬时首先必须进行预热，这样做的目的是使基体的温度接近与镀液的温度，以避免基体材料由于突然受热而产生暴皮，预热的时间根据实际情况进行设定，一般为1-5分钟。预热滞后就要进行阳极腐蚀，时间为10-60秒，之后就是冲击电流和镀铬。而对于铝合金的镀铬，水洗后，基体要马上带点下槽，然后通入小电流，保持一段时间后，逐渐增加电流。这过程中需要注意的是，基体在下槽时必须带电，以使得表面充分形成铬的金属晶核。