一种分离火箭内装弹簧件的喷涂夹具及热障涂层的喷涂方法与流程

本发明属于表面加工与热喷涂技术领域，特别涉及一种分离火箭内装弹簧件的喷涂夹具及热障涂层的喷涂方法。

背景技术

分离火箭内装弹簧件的主要功能是用于固定一级火箭分离时的燃料。弹簧件基体为65mn材质，直径137.5±0.3mm、厚度1.5±0.1mm呈圆形(见图1、图2)。65mn材质的熔点为1400℃左右，远低于工作使用温度。火箭分离时，在0.5秒时间，温度瞬间上升至2000℃以上，会使弹簧件烧蚀掉渣四处飞溅破坏火箭机体，产生无法预测的安全隐患。如果没有其它热防护措施，无法满足工作需要。

热障涂层(tbcs)是指由金属粘结层和耐热、隔热性好的陶瓷热保护功能涂层组合成的。表面陶瓷工作层是借助处于基体和陶瓷层之间的金属粘结层与高温合金基体结合的。该粘结层与表面陶瓷层和基体金属材料都具有良好的粘结性能，可改善陶瓷与金属材料之间的热匹配、减缓界面应力、提高使用温度、抗热震性能和工作寿命。

mcraly涂层能在较高温度下起到高温抗氧化作用，被普遍地作为热障涂层(tbcs)系统的金属粘结层。mcraly可以是nicocraly、nicraly、cocraly、nicral等粉末，mcraly可以采用超音速火焰、超音速等离子、真空等离子等技术制备涂层。

氧化物陶瓷材料具有熔点高、热导率低、热辐射率小、反射率高、涂层硬度高、抗高温高速燃气冲蚀磨损性能好等优点，成为热障涂层选用的主要材料。特别是经稳定化处理的zro2陶瓷涂层能有效提高涂层的抗热冲击性能。以zro2为基的陶瓷涂层材料有y2o3-zro2、cao-zro2、mgo-zro2、ceo-zro2等都可作为表面防热层。可以采用普通等离子、真空等离子、超音速等离子、气相沉积等技术制备涂层。

现有的热障涂层制备方法较复杂，并且制备的热障涂层结构均匀性较差。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种分离火箭内装弹簧件热障涂层的喷涂方法，其采用超音速等离子喷枪制备热障涂层，通过合理控制喷枪的喷涂路径及喷涂距离，能够效率高的完成喷涂过程，制备的热障涂层结构均匀、组织稳定、涂层烧不裂、具有较好的韧性。

本发明的目的之二是提供一种分离火箭内装弹簧件喷涂夹具，其结构简单，安装拆卸方便，可有效的减小弹簧件中心被遮蔽区域，为后续补喷带来方便。

本发明提供的技术方案为：

一种分离火箭内装弹簧件的喷涂夹具，包括：

弹簧件支撑杆，其上端中心沿轴向开设连接孔；

压帽，其包括压紧端和连接杆，

其中，所述连接杆穿过分离火箭内装弹簧件的中心孔，并匹配连接在所述连接孔中，压帽将分离火箭内装弹簧件压紧在所述弹簧件支撑杆的上端。

优选的是，所述压紧端为圆台状，所述压紧端的小直径端与所述连接杆连接。

优选的是，所述压紧端为阶梯状，所述压紧端的小直径端与所述连接杆连接。

一种分离火箭内装弹簧件热障涂层的喷涂方法，包括如下步骤：

步骤一、对弹簧件表面进行喷砂粗化；

步骤二、采用所述的夹具将弹簧件固定在匀速旋转的转台上；

步骤三、喷涂金属粘结层；

其中，在喷涂过程中喷枪的喷嘴口与弹簧件的距离控制在100±5mm；

步骤四、喷涂防热层；

其中，在喷涂过程中喷枪的喷嘴口与弹簧件的距离控制在110±5mm；

其中，所述金属粘结层和所述防热层的喷涂过程包括：

使喷枪与弹簧件表面平行，从侧面喷涂弹簧件外边缘；

使喷枪倾斜于弹簧件，沿第一方向，将喷枪从弹簧件的边缘向中心区域移动，移动速度从边缘区域的第一速度增加至中心区域的第二速度；再将喷枪从中心区域向边缘移动，移动速度从中心区域的第二降低至边缘区域的第一速度，之后循环喷涂；

使喷枪倾斜于弹簧件，沿第二方向，将喷枪从弹簧件的边缘向中心区域移动，移动速度从边缘区域的第一速度增加至中心区域的第二速度；再将喷枪从中心区域向边缘移动，移动速度从中心区域的第二速度降低至边缘区域的第一速度，之后循环喷涂；

使喷枪垂直于弹簧件，喷枪以第三速度沿弹簧件的横向移动喷涂，当喷枪移动到弹簧件的边缘时，喷枪纵向移动设定距离后，向沿横向反向移动喷涂；直到覆盖整个弹簧件表面；

使喷枪垂直于弹簧件，喷枪以第三速度沿弹簧件的纵向移动喷涂，当喷枪移动到弹簧件的边缘时，喷枪横向移动设定距离后，向沿纵向反向移动喷涂；直到覆盖整个弹簧件表面。

优选的是，在所述步骤四中，喷涂防热层之前对弹簧件进行预热。

优选的是，对弹簧件进行预热时，设定喷枪的预热参数为：

氩气流流量为150±10l/min，电流为450±8a，电压为140±10v。

优选的是，所述第一速度为0.75m/min，所述第二速度为2.5m/min。

优选的是，所述第一方向与所述第二方向垂直。

优选的是，喷涂金属粘结层时，设定喷枪的喷涂参数为：

氩气流流量为240±20l/min，电流为400±8a，电压为140±5v，送粉气压力为0.5±0.05mpa，送粉气流量为6±1l/min，送粉量为22±2g/min；

喷涂防热层时，设定喷枪的喷涂参数为：

氩气流流量为130±10l/min，电流为450±8a，电压为140±10v，送粉气压力为0.45±0.05mpa，送粉气流量为7±1l/min，送粉量为26±2g/min。

优选的是，在所述步骤二中，所述转台的转速为75±15r/min。

本发明的有益效果是：

本发明提供的分离火箭内装弹簧件热障涂层的喷涂方法，喷涂效率高、工艺稳定；对基体的热影响小，制备的热障涂层结构均匀、组织稳定、涂层烧不裂、具有较好的韧性。

本发明提供的分离火箭内装弹簧件热障涂层的喷涂方法，工艺过程简单，不受工件尺寸大小限制，具备推广至其它领域零件上防护的前景。

本发明提供的弹簧件喷涂夹具，结构简单合理，安装拆卸方便，可有效的减小弹簧件中心被遮蔽区域，为后续补喷带来方便；上方用螺帽压紧，压紧后螺帽与弹簧件之间留有间隙，可防止涂层粘连。

附图说明

图1为本发明所述的弹簧片的主视图。

图2为本发明所述的弹簧片的侧视图。

图3为本发明所述的第一种实施方式的喷涂夹具的结构示意图。

图4为本发明所述的第一种实施方式的喷涂夹具装夹弹簧片的示意图。

图5为本发明所述的第二种实施方式的喷涂夹具的结构示意图。

图6为本发明所述的第一种实施方式的喷涂夹具装夹弹簧片的示意图。

图7为本发明所述的第一动作的示意图。

图8为本发明所述的第二动作的示意图。

图9为本发明所述的第三动作的示意图。

图10为本发明所述的第四动作的示意图。

图11为本发明所述的弹簧件中心补喷区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供了一种分离火箭内装弹簧件喷涂夹具，如图3-6所示，所述喷涂夹具包括弹簧件支撑杆110，其上端中心沿轴向开设连接孔111；压帽120的下端设有与连接孔111相匹配的螺纹连接杆121(螺纹m10*1.5)，压帽120的顶端为压紧端122。需要固定弹簧件130时，将连接杆121穿过弹簧件130的中心孔，之后将连接杆121的下端放入连接孔111中，并将压帽120向下压紧，将弹簧件130固定在支撑杆110上。压紧后，弹簧件130的下表面抵靠在弹簧件支撑杆110的上端，螺帽120的压紧端122的顶端与弹簧件130的上表面之间有1mm左右的间隙，能够有效防止涂层粘连。其中，喷涂夹具具有多种实施方式。

第一种实施方式如图3-4所示，喷涂夹具的压帽120的压紧端122为圆台，圆台的小直径端与连接杆121连接，圆台的中间部分卡合在弹簧件130的中心孔中，将弹簧件130固定在连接杆121上。连接孔111的上端设置为与压紧端122的下端相匹配的圆台孔，压紧端122的下端部分插入到连接孔111中使弹簧件130的固定效果更好。

第二种实施方式如图5-6所示，喷涂夹具的压帽120的压紧端为阶梯状，包括位于下端的第一阶梯123和位于上端的第二阶梯124，第一阶梯123的直径小于第二阶梯124的直径。第一阶梯123为圆台状，压帽的第一阶梯123卡合在弹簧件130的中心孔中，将弹簧件130固定在连接杆121上。连接孔111的上端设置为与第一阶梯123的下端相匹配的圆台孔，第一阶梯123的下端插入到连接孔111中使弹簧件130的固定效果更好。

弹簧件在夹具上固定平稳不晃动后，把弹簧件支撑杆110装夹在三爪卡盘上。装夹时，要确定支撑杆110正好在卡盘同轴中心位置，保证卡盘旋转时，卡具带动弹簧件旋转平稳，不出现上下左右晃动情况。

本发明还提供了一种分离火箭内装弹簧件热障涂层的喷涂方法，金属粘结层mcraly可以是nicocraly、nicraly、cocraly、nicral等粉末中的一种；可以采用超音速火焰、超音速等离子、真空等离子等技术中的一种制备涂层。表面防热层可以是y2o3-zro2、cao-zro2、mgo-zro2、ceo-zro2中的一种；可采用普通等离子、真空等离子、超音速等离子、气相沉积等技术中的一种制备涂层。

作为优选，选用nicocraly作为金属粘结层，y2o3-zro2(8％氧化钇稳定氧化锆)作为表面防热层；并采用超音速等离子喷枪作为喷涂设备；其制备的热障涂层结构均匀、组织稳定、涂层烧不裂、具有较好的韧性。弹簧件的结构如图1-2所示，具体制备方法包括如下步骤：

步骤一、戴橡胶手套拿取弹簧件，用镊子夹脱脂棉蘸纯度大于99.7％的无水乙醇清洗弹簧件表面的油渍、污渍。

步骤二、用千分尺测量基体(a、b、c位置)厚度，并记录测量厚度。其中，a位置位于靠近弹簧件边缘处，c位置位于靠近弹簧件中心处，b位置位于a位置和c位置中间。如图1所示，测量a1、a2、a3取平均值作为a位置的厚度，测量b1、b2、b3取平均值作为b位置的厚度，测量c1、c2、c3取平均值作为c位置的厚度。

步骤三、采用喷砂机，用16-20#白刚玉砂粗化弹簧件表面；设定喷砂空气压力0.6±0.1mpa；喷砂距离30±5mm；喷砂角度70±10°。喷砂至弹簧件表面粗化明显，在阳光或灯光下观察无亮面、无光面。

喷砂后，用千分尺测量基体(a、b、c位置)厚度，并记录测量厚度。

步骤四、采用本发明提供的分离火箭内装弹簧件喷涂夹具将弹簧件固定在转台卡盘上，保证旋转时弹簧件平稳、不晃动，设定转台转速为75±15r/min。

步骤五、喷涂金属粘结层。

首先设定喷枪的喷涂参数为：ar流量：240±20l/min，电流：400±8a，电压：140±5v，送粉气压力：0.5±0.05mpa，送粉气流量：6±1l/min，送粉量：22±2g/min。

然后设定喷枪的喷涂距离，金属粘结层的喷涂距离为100±5mm；之后，机器人完成以下动作：

第一动作如图7所示：设定机器人程序，使喷枪200与弹簧件130表面平行，从侧面喷涂弹簧件外边缘，喷涂时间10s。

第二动作如图8所示：设定机器人程序，使喷枪200倾斜于弹簧件130，喷枪200的喷嘴口与弹簧件表面呈45±5°夹角；从一侧经中心到另一侧直线变速纵向运动。喷枪移动速度从边缘区域的0.75m/min增加至中心区域的2.5m/min，再从中心区域的2.5m/min降低至边缘区域的0.75m/min。

第三动作如图9所示：设定机器人程序，使喷枪200倾斜于弹簧件130，喷枪200的喷嘴口与弹簧件表面呈45±5°夹角；从一侧经中心到另一侧直线变速横向运动。喷枪移动速度从边缘区域的0.75m/min增加至中心区域的2.5m/min，再从中心区域的2.5m/min降低至边缘区域的0.75m/min。

以上动作主要喷涂粘结层至弹簧件的外棱、所有孔与齿的侧边，粘结层涂层厚度到0.05±0.01mm为止。

第四动作如图10所示：设定机器人程序，使喷枪200的喷嘴口垂直于弹簧件130，喷枪移动速度20m/min，从弹簧件左边缘横向往右边缘移动，到达右边缘终点再纵向移动3mm，从右边缘返回左边缘，到达左边缘终点再纵向移动3mm。喷嘴往复运动，不从上到下直至涂层覆盖弹簧件整个正面。喷枪再以20m/min的移动速度从弹簧件上边缘纵向往下边缘移动，到达下边缘终点再横向移动3mm，从下边缘返回上边缘，到达上边缘终点再横向移动3mm。从左到右直至涂层覆盖弹簧件整个正面。喷枪喷嘴口的位置距弹簧件起始点和终止点位置相距3cm，保证射流在起始点与终止点位置时，射流不在弹簧件上。第四动作主要喷涂弹簧件正面，粘结层涂层厚度到0.1±0.03mm为止。

之后，操作机器人对螺帽压牢的中心遮蔽区域131(如图11所示)进行补喷金属粘结层，涂层厚度0.03±0.01mm。

喷涂完成后，用千分尺测量金属粘结层(a、b、c位置)涂层厚度与中心补喷区域涂层厚度，并记录测量厚度。

在喷涂金属粘结层的过程中，按照喷涂路径且保证喷涂距离保持不变，保证涂层包覆弹簧件所有表面。

步骤六、喷涂防热层。

喷涂防热层之前，需要对弹簧件先做预热处理。预热参数为：ar流量：150±10l/min，电流：450±8a，电压：140±10v。

预热后，喷涂防热层。其中，预热和喷涂需连续完成，若喷涂过程被迫中止时，需再次预热再实施喷涂。

防热层喷涂参数为：ar流量：130±10l/min，电流：450±8a，电压：140±10v，送粉气压力：0.45±0.05mpa，送粉气流量：7±1l/min，送粉量：26±2g/min。

设定防热层的喷涂距离为110±5mm，之后，机器人完成以下动作：

第一动作如图7所示：设定机器人程序，使喷枪200与弹簧件130表面平行，从侧面喷涂弹簧件外边缘，喷涂时间10s。

第二动作如图8所示：设定机器人程序，使喷枪200倾斜于弹簧件130，喷枪200的喷嘴口与弹簧件表面呈45±5°夹角；从侧面喷涂弹簧件的正面、孔和齿的内侧。从一侧经中心到另一侧直线变速纵向运动。喷枪移动速度从边缘区域的0.75m/min增加至中心区域的2.5m/min，再从中心区域的2.5m/min降低至边缘区域的0.75m/min。

第三动作如图9所示：设定机器人程序，使喷枪200倾斜于弹簧件130喷枪200的喷嘴口与弹簧件表面呈45±5°夹角；从侧面喷涂弹簧件的正面、孔和齿的内侧。从一侧经中心到另一侧直线变速横向运动。喷枪移动速度从边缘区域的0.75m/min增加至中心区域的2.5m/min，再从中心区域的2.5m/min降低至边缘区域的0.75m/min。

以上动作主要喷涂防热层至弹簧件的外棱、所有孔与齿的侧边，单面涂层厚度到0.1±0.01mm为止。

第四动作如图10所示：设定机器人程序，使喷枪200垂直于弹簧件130，喷枪移动速度20m/min，从弹簧件左边缘横向往右边缘移动，到达右边缘终点再纵向移动3mm，从右边缘返回左边缘，到达左边缘终点再纵向移动3mm。从上到下横向往复喷涂，直至涂层覆盖弹簧件整个正面。喷枪以20m/min的移动速度再从弹簧件上边缘纵向往下边缘移动，到达下边缘终点再横向移动3mm，从下边缘返回上边缘，到达上边缘终点再横向移动3mm。从左到右纵向往复喷涂，直至涂层覆盖弹簧件整个正面。喷枪喷嘴口的位置距弹簧件起始点和终止点位置相距3cm，保证射流在起始点与终止点位置时，射流不在弹簧件上。第四动作主要喷涂弹簧件正面，单面防热层涂层厚度到0.4±0.05mm为止。

之后，操作机器人对螺帽压牢的中心遮蔽区域131(如图11所示)进行补喷防热层，涂层厚度0.05±0.01mm。

喷涂完成后，用千分尺测量防热层(a、b、c位置)涂层厚度与中心补喷区域涂层厚度，并记录测量厚度。

在喷涂金属粘结层的过程中，按照喷涂路径且保证喷涂距离保持不变，保证涂层包覆弹簧件所有表面。

弹簧件正面喷涂结束后，将弹簧件反面固定，之后按照本发明提供的喷涂方法对弹簧件的反面进行喷涂。

两面喷涂均完成之后，对采用本发明提供的热障涂层的制备方法制备的热障涂层进行检验。包括：检验涂层外观、涂层厚度、结合强度、孔隙率、显微硬度、耐烧蚀性能、压平测试，判断是否能够满足弹簧件的工作使用性能。如图1所示，图中d1、d2及d3位置为切割位置，切割后经过打磨抛光后，在截面位置测定涂层厚度、显微硬度、孔隙率，并取平均值作为最终数据。图中b1、b2、b3及e1、e2、e3所在的位置代表弹簧件最薄弱部位，在上述位置做耐烧蚀性能测试，并分别取平均值作为最终测试数据。

在本实施例中，在弹簧件表面制备的热障涂层性能指标为：外观呈灰白色，局部呈深灰色；单面涂层厚度0.5±0.05mm(金属粘结层0.1±0.02mm，防热层0.4±0.05mm)；显微硬度800±200hv；结合强度≥30mpa；孔隙率9％±3％；耐烧蚀性能＞2s(采用超音速等离子喷枪，实验参数：电流380±5、电压135±3、主气120±5l/min，烧蚀距离50±3mm)。反复做10次弹簧件压平测试，涂层不剥落、表面无裂纹。经检验，本实施例制备的热障涂层，能够保证弹簧件在高温状态下正常工作。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。