劉繼彬，詹華，鮑曼雨，李蔚，汪瑞軍*

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，長(zhǎng)春 130103；3.國(guó)網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102211）

0 引言

伺服作動(dòng)器主要通過(guò)施加可控的推、拉作用力實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、方向、位移和力的控制，其在航空航天、工程機(jī)械、采礦冶金、海洋水利、試驗(yàn)裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)從高速增長(zhǎng)階段向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)伺服作動(dòng)器逐步轉(zhuǎn)向高頻響、高性能、高質(zhì)量、高可靠性等方面發(fā)展。活塞桿作為高頻響伺服作動(dòng)器的關(guān)鍵核心部件之一，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)誤差。高頻振動(dòng)加速了活塞桿表面的摩擦磨損，為了提高活塞桿的表面性能，延長(zhǎng)伺服作動(dòng)器的使用壽命，常采用電鍍硬鉻提高活塞桿的表面耐磨性能，但隨著當(dāng)前苛刻服役條件的需求，伺服作動(dòng)器活塞桿長(zhǎng)期處于重載、高溫、鹽霧、粉塵等極端環(huán)境之中，活塞桿極易產(chǎn)生微動(dòng)磨損、疲勞和腐蝕等問(wèn)題，從而導(dǎo)致伺服作動(dòng)器密封失效。傳統(tǒng)的電鍍硬鉻工藝暴露出巨大缺陷，并且電鍍硬鉻存在沉積效率低，工藝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。雖然環(huán)保型防腐抗磨的新型電鍍工藝已有學(xué)者進(jìn)行了研究，但鍍層顯微硬度不足、鍍層中存在微觀裂紋、易氫脆等仍然是新型電鍍工藝研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-3]。熱噴涂技術(shù)作為替代方式之一，具有選材和應(yīng)用范圍廣，材料表面熱影響區(qū)小，涂層厚度范圍寬，工藝可靠性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了在高頻響伺服作動(dòng)器活塞桿產(chǎn)品上的技術(shù)突破[4-9]。

本文將從以噴代鍍技術(shù)的發(fā)展歷程、目前國(guó)內(nèi)外以噴代鍍技術(shù)的研究現(xiàn)狀和活塞桿特別是高頻響伺服作動(dòng)器活塞桿表面以噴代鍍技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行了分析和討論。

1 以噴代鍍技術(shù)的發(fā)展歷程

電鍍硬鉻起源于1856 年的德國(guó)，在1926 年，美國(guó)C.G.Fink 教授等人發(fā)明了從含硫酸的鉻酸溶液沉積出光亮鉻的專利，此后電鍍硬鉻在解決材料表面耐磨腐蝕方面發(fā)揮了巨大的作用[10]。隨著環(huán)保要求的提高，電鍍處理過(guò)程中產(chǎn)生大量的Cr6+離子，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染阻礙了其發(fā)展。此外，傳統(tǒng)的電鍍鉻工藝需要經(jīng)過(guò)氫化、活化、鍍?nèi)榘足t、熱擴(kuò)散等多道復(fù)雜工序，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性，而且電鍍鉻處理后，鍍件表面常常存在裂紋，水汽、Cl-等腐蝕性介質(zhì)通過(guò)裂紋直接作用在基體上，使得工件逐漸被腐蝕[11]。需要有其它表面處理技術(shù)來(lái)替代電鍍鉻，從20 世紀(jì)早期開(kāi)始，人們開(kāi)始嘗試采用噴涂技術(shù)替代電鍍（以噴代鍍）。

二十世紀(jì)20 年代，誕生了電弧絲噴涂技術(shù)[12]。它可以有效的提高大型結(jié)構(gòu)件的防腐性能和耐磨性能，相比于電鍍硬鉻，在長(zhǎng)效防腐、耐高溫腐蝕等方面有著非常大的優(yōu)勢(shì)，利用電弧絲噴涂的民用礦井設(shè)備、軍用航海設(shè)備等的壽命可延長(zhǎng)15～30 年[13-14]。

繼電弧絲噴涂之后，二十世紀(jì)50 年代出現(xiàn)了爆炸噴涂和等離子噴涂，60 年代出現(xiàn)了自熔性合金粉末火焰等離子噴涂。等離子噴涂的中心溫度最高，因此，可以進(jìn)行各種陶瓷、高熔點(diǎn)、耐磨損、耐高溫材料的噴涂，并且等離子噴涂涂層的孔隙率低、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，在耐磨、耐高溫等方面均超越了鍍硬鉻層[15]。等離子涂層的出現(xiàn)，將涂層的應(yīng)用拓寬至電鍍鉻層無(wú)法應(yīng)用的領(lǐng)域，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、核反應(yīng)堆等領(lǐng)域所用的熱障涂層，具有生物活性的功能涂層[16]。

到了80 年代，在等離子噴涂技術(shù)上又發(fā)展起來(lái)一種高效的噴涂技術(shù)——超音速火焰噴涂(High velocity oxygen fuel,HVOF)[17-19]。超音速火焰噴涂所制備的優(yōu)質(zhì)涂層，在航空航天、冶金機(jī)械等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。因其工藝性及經(jīng)濟(jì)性完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電鍍鉻技術(shù)的替代，從而以噴代鍍技術(shù)得到了廣泛的采用[20]。美國(guó)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化工藝，性能提高，成本降低。飛機(jī)起落架的服役工況極其惡劣，原本電鍍層在海洋氣候下極易產(chǎn)生腐蝕而加速失效，而通過(guò)采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備特殊涂層后，大大提高了抗磨損、抗腐蝕性能。在冶金機(jī)械領(lǐng)域，超音速火焰噴涂得到的涂層孔隙率低、顯微硬度高，相比原有電鍍鉻層，提高了產(chǎn)品的使用壽命，也提高了冶金機(jī)械產(chǎn)品的利潤(rùn)率。在磨損件修復(fù)方面，超音速火焰噴涂技術(shù)操作精準(zhǔn)、修復(fù)質(zhì)量高，從而降低了維修成本，并且避免了電鍍液對(duì)磨損件的二次損傷[21-22]。

2 以噴代鍍技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

熱噴涂技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加速了國(guó)內(nèi)外以噴代鍍技術(shù)的發(fā)展，特別是超音速火焰噴涂技術(shù)的發(fā)展，使噴涂得到的涂層具有耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞的特性，很多學(xué)者在對(duì)比熱噴涂涂層和電鍍硬鉻層的各項(xiàng)性能方面進(jìn)行了深入的研究。

2.1 以噴代鍍涂層制備與表征

在兩種涂層的制備及其表征方面，學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)了大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。鄭毅等[23]的研究分別在300M 鋼表面采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備WC-10Co4Cr 涂層和電鍍硬鉻層，結(jié)果表明，噴涂碳化鎢涂層截面顯微形貌為層狀，碳化鎢、鈷、鉻均勻分布，空隙極少，而電鍍硬鉻層截面存在較多裂紋，有的裂紋甚至貫穿鍍層到基體。電鍍硬鉻層的顯微硬度均值為808 HV300，噴涂碳化鎢涂層的顯微硬度均值為1123 HV300。硬鉻層與基體結(jié)合強(qiáng)度大于66 MPa，噴涂碳化鎢涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度大于78 MPa。S.Abdi 等[24]的研究分別在60CrMn4 鋼表面采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備NiCrBSiC(Fe)涂層和電鍍硬鉻層，熱噴涂后的涂層具有三層區(qū)域的沉積物典型形態(tài)，分別為頂部涂層NiCrBSiC(Fe)、粘結(jié)層 AlNi 和基體，粘結(jié)層的形態(tài)更致密、更均勻，具有層狀結(jié)構(gòu)，并且孔隙較小，尺寸約為20 μm，熱噴涂涂層和電鍍硬鉻層的厚度和硬度分別為350 μm、1090 HV0.3和350 μm、793 HV0.3。并且由于粘結(jié)層界面兩側(cè)結(jié)合緊密，使得熱噴涂涂層與基體有著極好的結(jié)合力。Wang 等[25]的研究分別在基材表面采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備WC 和Cr3C2基涂層和電鍍硬鉻層，結(jié)果表明由于電鍍硬鉻過(guò)程中產(chǎn)生的高應(yīng)力，在鍍層和基體之間的界面上垂直分布著大量裂紋，某些裂紋貫穿了涂層的整個(gè)厚度。所有熱噴涂涂層均顯示出致密的微觀結(jié)構(gòu)，沒(méi)有裂紋，噴涂金屬陶瓷涂層的孔隙率均小于1%，電鍍硬鉻層的平均硬度約為850 HV0.3，而熱噴涂WC-10Co4Cr 涂層和WC-40Cr3C2-25NiCr 涂層的平均硬度分別為1027 HV0.3和1060 HV0.3。

通過(guò)以上研究結(jié)果表明，熱噴涂涂層相比于電鍍硬鉻層，無(wú)論是致密度，顯微硬度還是涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，均有一定優(yōu)勢(shì)，雖然熱噴涂涂層仍然不可避免的存在孔隙問(wèn)題，但仍然是替代電鍍硬鉻層的理想選擇。

2.2 以噴代鍍涂層疲勞性能

涂層表征的結(jié)果往往決定了其力學(xué)性能的差異，劉建武等[26]的研究表明，超音速火焰噴涂WC 涂層的 40CrNiMoA 鋼疲勞極限 σ-1明顯高于電鍍硬鉻層的疲勞極限（見(jiàn)圖1）。通常認(rèn)為，材料的疲勞斷裂首先由材料表面或內(nèi)部的裂紋引起，而鉻鍍層表面存在眾多垂直微裂紋，在高周疲勞下，這些微裂紋勢(shì)必向基體不斷擴(kuò)展延伸，最終擴(kuò)展到界面后深入基體，誘發(fā)了基體疲勞裂紋的產(chǎn)生，所以鉻鍍層顯著地降低了40CrNiMoA鋼基材的疲勞壽命。而 WC-10Co4Cr 涂層則非常致密，在外加交變載荷下較難產(chǎn)生微裂紋。所以40CrNiMoA 鋼噴涂 WC 涂層的疲勞壽命明顯高于電鍍硬鉻層（見(jiàn)圖2）。

圖1 40CrNiMoA 鋼電鍍硬鉻與超音速火焰噴涂WC 涂層后的疲勞性能[26]Fig.1 Fatigue properties of Cr-plating and WC HVOF coating of 40CrNiMoA steel[26]

圖2 40CrNiMoA 鋼電鍍硬鉻與超音速火焰噴涂WC-10Co4Cr 涂層后的疲勞 S-N 曲線 [26]Fig.2 S-N curves for Cr-plating and WC-10Co4Cr HVOF coating of 40CrNiMoA steel[26]

Marcelino 等[27]的研究分別在AISI 4340 鋼表面采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備WC 涂層和電鍍硬鉻層，軸向疲勞試驗(yàn)顯示（見(jiàn)圖3），涂層對(duì)基材的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響，扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)中的趨勢(shì)相同（見(jiàn)圖4），這種影響在高周疲勞試驗(yàn)中比在低周疲勞試驗(yàn)中更為顯著，并且電鍍硬鉻試樣的疲勞強(qiáng)度下降幅度大于碳化鎢涂層試樣。

圖3 軸向疲勞試驗(yàn)的S-N 曲線[27]Fig.3 S-N curves for axial fatigue tests[27]

圖4 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的S-N 曲線[27]Fig.4 S-N curves for rotating bending fatigue tests[27]

如圖5 所示，Parker[28]進(jìn)行了電鍍硬鉻試樣和超音速火焰噴涂試樣的室溫高周(HCF)和低周(LCF)疲勞實(shí)驗(yàn)。兩種實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，超音速火焰噴涂制備的涂層試樣，其疲勞強(qiáng)度有所降低，而電鍍硬鉻試樣則有明顯降低，說(shuō)明超音速火焰噴涂制備的涂層對(duì)疲勞壽命的影響比電鍍硬鉻小。

圖5 不同涂層的疲勞曲線[28]Fig.5 Fatigue curves of different coatings [28]

通過(guò)以上學(xué)者的研究結(jié)果表明，材料表面改性技術(shù)會(huì)對(duì)基體的疲勞壽命有一定影響，涂層的均勻性是關(guān)鍵因素，熱噴涂涂層致密的結(jié)構(gòu)，相比于存在微觀裂紋缺陷的電鍍硬鉻層，對(duì)基體疲勞壽命的影響更小。

2.3 以噴代鍍涂層耐磨損性能

作為基材的表面改性技術(shù)，耐磨損性能往往是至關(guān)重要的。周克崧[29]對(duì)比了NiCrBSi、FeCrMo、NiCrMo、WC-Co/NiCrMo 和電鍍硬鉻在耐磨性、耐腐蝕性以及耐疲勞性的差別，結(jié)果表明，在涂層耐磨粒磨損試驗(yàn)中只有NiCrMo 涂層稍遜于電鍍硬鉻鍍層，而 WC-Co/NiCrMo 涂層的耐磨性則是電鍍硬鉻鍍層耐磨性的2.5 倍多（見(jiàn)圖6）。

圖6 各種涂層耐磨粒磨損性的比較[29]Fig.6 comparison of abrasive wear resistance of various coatings [29]

伍超群等[30]對(duì)超音速火焰噴涂鎳基自熔性合金涂層和Ni-Co 合金電鍍層進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，對(duì)磨件為GCr15，載荷10 kg，轉(zhuǎn)速200 r/min，轉(zhuǎn)數(shù)10000 次。測(cè)試樣品磨痕寬度和磨損量。超音速火焰噴涂涂層和電鍍層的磨痕寬度分別為1.64 mm 和4.6 mm，磨損量分別為0.0014 g 和0.0282 g。熱噴涂涂層的磨痕寬度和磨損量均明顯小于電鍍硬鉻層，具有較好的耐磨性。王長(zhǎng)亮等[31]研究了超音速火焰噴涂碳化鎢涂層與電鍍硬鉻層的磨損量差別。涂層材料分別為進(jìn)口WC10Co4Cr 粉末、進(jìn)口WC17Co 粉末、國(guó)產(chǎn)WC10Co4Cr 粉末、國(guó)產(chǎn)WC17Co 粉末。國(guó)產(chǎn)WC17Co 粉末涂層在20 N載荷下磨損量是電鍍硬鉻的13%，其余各噴涂涂層在20 N 和50 N 載荷下，磨損量是電鍍硬鉻層的4%，甚至更低。碳化鎢涂層的高硬度，使得其耐磨性能大大優(yōu)于電鍍硬鉻層。Reignier 等[32]的研究結(jié)果如圖7 所示，測(cè)試采用的ASTM G65標(biāo)準(zhǔn)磨料為200 μm 石英。用超音速火焰噴涂制備的WC-CoCr 涂層的磨損量平均只有電鍍硬鉻的20%～25%。

圖7 涂層的磨損量比較[32]Fig.7 comparison of wear rates of coatings [32]

Keshavamurthy 等[33]分別對(duì)不銹鋼表面制備電鍍硬鉻和超音速火焰噴涂WC 涂層的試樣進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)在20 N 的負(fù)載下以200 rpm 的速度進(jìn)行。從圖8 和圖9 中可以清楚地看出，電鍍硬鉻的磨損率降低了42%，熱噴涂涂層的磨損率降低了78%。

圖8 磨損行為隨速度的變化[33]Fig.8 Variation of Wear behaviour with Speed[33]

圖9 磨損行為隨載荷的變化[33]Fig.9 Variation of Wear behaviour with Load[33]

通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)多種熱噴涂涂層與電鍍硬鉻層在耐磨性方面的研究，可以清晰的看出，碳化鎢涂層顯示出相當(dāng)均勻和致密的微觀結(jié)構(gòu)，并且碳化鎢涂層的顯微硬度明顯高于電鍍硬鉻層，因此碳化鎢涂層的耐磨性優(yōu)于硬鉻涂層。目前研究顯示對(duì)于熱噴涂涂層添加Co 等元素，可以繼續(xù)提高熱噴涂涂層的耐磨損性能，所以熱噴涂涂層是耐磨應(yīng)用中電鍍硬鉻層的優(yōu)選替代。

2.4 以噴代鍍涂層耐腐蝕性能

熱噴涂涂層不但具有優(yōu)異的耐磨性，而且耐蝕性也極佳。Natishan 等[34]分別在4340 鋼、7075 鋁合金和PH 13-8 不銹鋼基材上采用超音速火焰噴涂制備WC-Co 涂層及電鍍硬鉻層。通過(guò)圖10 可知，超音速火焰噴涂WC-Co 涂層和電鍍鉻層的表現(xiàn)大致相同。兩種涂層在7075 鋁合金和PH 13-8 不銹鋼基體上的性能最好，表面或邊緣未發(fā)現(xiàn)凹坑或氣泡。由此可知WC-Co 涂層的性能與電鍍鉻層防腐蝕性能相當(dāng)。

圖10 樣品表面的防護(hù)等級(jí)[34]Fig.10 Protection ratings for the sample faces[34]

如圖11 所示，代雪婷等[35]關(guān)于超音速火焰噴涂涂層和電鍍硬鉻層的研究表明，電鍍硬鉻層的 Tafel 曲線較為平緩，不存在鈍化區(qū)，而WC-10Co-4Cr 涂層存在鈍化區(qū)。在電位升高初期，電鍍硬鉻層和 WC-10Co-4Cr 涂層的 Tafel 斜率相近，腐蝕速率差距較小。而當(dāng)電位繼續(xù)升高，基體電流密度繼續(xù)增大，而涂層的電流密度增幅減緩，出現(xiàn)鈍化。WC-10Co-4Cr 涂層的自腐蝕電位高于電鍍硬鉻層，證明電鍍硬鉻層的腐蝕傾向性更大，WC-10Co-4Cr 涂層的耐蝕性更佳。

圖11 鍍 Cr 層及 WC-10Co-4Cr 涂層的 Tafel 曲線[35]Fig.11 Tafel curve of Cr coating and wc-10co-4cr coating[35]

如圖12 和圖13 所示，Bolelli 等[36]的研究表明超音速火焰噴涂涂層在腐蝕性非常強(qiáng)的0.1N HCl 溶液中比電鍍硬鉻層具有更好的耐腐蝕性，這種耐腐蝕性受其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)特征影響。熱噴涂涂層在多種腐蝕溶液中的相似電化學(xué)行為表明其可以靈活地應(yīng)用于不同的腐蝕環(huán)境。如圖14所示，Nestler 等[37]研究的航空起落架鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HVOF 制備的WC-CoCr 涂層經(jīng)750 h鹽霧腐蝕后，未發(fā)生腐蝕，其耐蝕性要優(yōu)于電鍍硬鉻。

圖12 電鍍硬鉻層在0.1N HCl 溶液中的極化圖[36]Fig.12 Polarization diagrams for flash flash platings coatings in 0.1 N HCl solution [36]

圖13 HVOF 涂層在0.1N HCl 溶液中的極化圖[36]Fig.13 Polarization diagrams for HVOF-sprayed cermet coatings in 0.1 N HCl solution [36]

圖14 鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果[37]Fig.14 Experimental results of salt spray corrosion[37]

通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究表明，涂層的耐腐蝕機(jī)制取決于涂層結(jié)構(gòu)的致密性，電鍍鉻層的微觀裂紋恰好成為腐蝕介質(zhì)的通道，而多層電鍍硬鉻層的耐腐蝕性優(yōu)于單層電鍍硬鉻層，正是因?yàn)槎鄬恿鸭y相互交錯(cuò)，阻礙了腐蝕介質(zhì)的侵蝕。而熱噴涂涂層結(jié)構(gòu)雖致密，但仍存有孔隙問(wèn)題，當(dāng)采取表面封孔處理后，其耐腐蝕性能有望得到巨大提升。

3 活塞桿表面以噴代鍍技術(shù)的研究應(yīng)用情況

伺服作動(dòng)器活塞桿兼顧拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等受力情況，表面的涂層需同時(shí)滿足防腐蝕、防磨損、耐高壓密封等要求。鑒于傳統(tǒng)電鍍硬鉻層存在的缺陷與不足，選擇合適的以噴代鍍材料、工藝，滿足活塞桿所需的多種服役工況需求的研究具有積極的意義[38]。

3.1 航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域?qū)σ簤河透子兄鴱V泛的應(yīng)用，而其性能嚴(yán)重影響飛行器的可靠性、安全性和壽命，尤其在沿海和內(nèi)陸濕熱地區(qū)等腐蝕較嚴(yán)重環(huán)境下服役時(shí)，活塞桿表面會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的摩擦磨損、腐蝕等損傷，傳統(tǒng)的電鍍硬鉻經(jīng)常不能滿足環(huán)境的適應(yīng)性要求[39]。周黎等[40]對(duì)某型號(hào)發(fā)射車輛油缸活塞桿傳統(tǒng)電鍍硬鉻層的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)鍍層固有的缺陷是引起腐蝕的主因。為此試制了超音速火焰噴涂涂層活塞桿，從微觀形貌、金相組織等方面進(jìn)行了分析，并開(kāi)展了自然環(huán)境考核對(duì)比試驗(yàn)，得出超音速火焰噴涂涂層在海洋大氣暴曬區(qū)和海水飛濺區(qū)中的防腐性能優(yōu)于電鍍硬鉻層，為惡劣環(huán)境中液壓缸活塞桿電鍍硬鉻層的耐腐性差提供了有效解決方案。

王浩軍等[41]針對(duì)某型飛機(jī)主起落架活塞桿發(fā)生密封部位漏氣等問(wèn)題，開(kāi)展新型鍍鉻封孔技術(shù)的應(yīng)用研究，采用封孔處理的某型飛機(jī)主起落架活塞桿，氣密性能大幅度提高，耐磨性能合格，目前工業(yè)界解決電鍍硬鉻層氣密性差、耐蝕性差問(wèn)題的主要思路是采取措施減少或消除鍍層中的微裂紋，而熱噴涂等新型替代技術(shù)已經(jīng)逐漸普及。

Gong 等[42]的研究認(rèn)為飛機(jī)在著陸和地面操作過(guò)程中，一些沙礫或其它硬顆粒很容易粘附在飛機(jī)起落架油缸活塞桿的外表面，尤其是在沙漠地區(qū)，這通常會(huì)導(dǎo)致外表面電鍍硬鉻層加速磨損。超音速火焰噴涂WC-Co-Cr 涂層由于其優(yōu)異的耐磨性和環(huán)保性能，可以取代飛機(jī)起落架上的電鍍硬鉻層。并且得出結(jié)論，隨著WC平均粒徑的減小，熱噴涂層狀結(jié)構(gòu)呈上升趨勢(shì)，僅含有1.2 μm 大小WC 顆粒的單顆粒分布的涂層表現(xiàn)出最好的耐磨性。

3.2 工程機(jī)械領(lǐng)域

液壓油缸作為工程機(jī)械最重要的動(dòng)力執(zhí)行元件，也是最容易發(fā)生故障的部件之一，常常因表面電鍍硬鉻的活塞桿磨損而漏油失效，大大縮短了工程機(jī)械設(shè)備的壽命周期。而如今熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用，使得工程機(jī)械獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并且減少能源消耗和對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染[43]。

樂(lè)有樹(shù)[44]的研究結(jié)果表明，超音速火焰噴涂涂層不但能達(dá)到電鍍硬鍍層的鏡面光潔度，而且在硬度及耐磨性能等方面還超過(guò)鍍鉻層，在很多場(chǎng)合完全可以取代電鍍硬鉻，其壽命是電鍍硬鉻層的1.2 倍左右，還可以用于電鍍硬鉻陶瓷壓機(jī)柱塞的修復(fù)再制造。Fedrizzi 等[45]的研究表明，近幾年來(lái)，需要維修的液壓活塞桿通常會(huì)選擇熱噴涂工藝，所用涂層主要為鎳鉻金屬基體中的碳化鉻，通過(guò)這種方式獲得的涂層顯示出比普通電鍍硬鉻更長(zhǎng)的使用壽命和更好的耐腐蝕性。

Picas 等[46]的研究了超音速火焰噴涂CrC75(NiCr20)25 涂層的機(jī)械和摩擦學(xué)性能，并與傳統(tǒng)的電鍍硬鉻層進(jìn)行了比較。以最低原料粉末粒度獲得的CrC-NiCr 涂層具有最佳耐磨性。精細(xì)的CrC-NiCr 涂層在機(jī)械和摩擦學(xué)性能方面表現(xiàn)出優(yōu)于電鍍硬鉻層的性能，可作為電鍍硬鉻層的替代品，目標(biāo)是將這些新型熱噴涂涂層應(yīng)用于活塞桿上。

3.3 采礦冶金領(lǐng)域

采礦冶金領(lǐng)域的液壓油缸工作環(huán)境非常惡劣，高溫、粉塵等工況常常導(dǎo)致油缸活塞桿表面破損及劃傷，進(jìn)而導(dǎo)致油缸出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，損壞油缸密封件及缸體。采用熱噴涂技術(shù)的活塞桿很好的避免了此現(xiàn)象的發(fā)生。

新礦集團(tuán)綜機(jī)設(shè)備維修中心從2001 年起，首先嘗試用電弧熱噴涂技術(shù)修復(fù)綜采、綜掘設(shè)備（如液壓支架、采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)）上的電鍍硬鉻活塞桿。修復(fù)后的活塞桿投入使用后，噴涂涂層沒(méi)有出現(xiàn)起泡和脫落的現(xiàn)象，效果較好。進(jìn)而又對(duì)冶金行業(yè)中的軋鋼機(jī)上的活塞桿，以及工程機(jī)械 (裝載機(jī)、平地機(jī)等)上的活塞桿進(jìn)行同樣的修復(fù)。凡是表面銹蝕或磨損的活塞桿經(jīng)修復(fù)后，再投入不同的環(huán)境使用，涂層基本無(wú)脫落或起泡的現(xiàn)象，效果較好。經(jīng)過(guò)測(cè)算，維修費(fèi)用僅相當(dāng)于重購(gòu)費(fèi)用的40%，可以有效降低使用單位的生產(chǎn)成本[47]。

鋼鐵工業(yè)連鑄機(jī)的結(jié)晶器活塞桿表面原采用電鍍硬鉻，由于高溫及磨損壽命很短，影響連鑄機(jī)的生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量，日、美等國(guó)研究采用熱噴涂涂層代替電鍍硬鉻層，并取得了十分明顯的效果，熱噴涂涂層結(jié)晶器活塞桿的壽命提高了4～6 倍[48]。

3.4 海洋水利領(lǐng)域

海洋水利領(lǐng)域處于高濕、高鹽霧、泥砂沖蝕等惡劣環(huán)境，采用傳統(tǒng)電鍍硬鉻的油缸活塞桿極易受到腐蝕，一旦出現(xiàn)銹蝕、損傷等缺陷，液壓系統(tǒng)會(huì)引起泄漏，造成功能失效及環(huán)境污染[49]。

趙堅(jiān)等[50]通過(guò)超音速火焰噴涂技術(shù)在啟閉機(jī)活塞桿表面制備WC-10Co-4Cr 涂層。經(jīng)過(guò)1年時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)活塞桿表面出現(xiàn)摩擦痕跡以及水污痕，經(jīng)過(guò)擦洗后發(fā)現(xiàn)活塞桿涂層表面狀況良好無(wú)明顯的磨損及腐蝕等損傷，遠(yuǎn)未達(dá)到失效的程度，并且涂層與基材結(jié)合良好無(wú)剝落，經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際使用，證明了經(jīng)過(guò)超音速火焰噴涂WC 涂層處理的活塞桿的使用壽命可以達(dá)到常規(guī)電鍍硬鉻的3 倍以上。

王博等[51]噴涂的WC-Cr3C2-Ni 和Cr2O3活塞桿也已經(jīng)廣泛應(yīng)用在水利工程及海上起重等領(lǐng)域，同期使用的電鍍硬鉻活塞桿使用2 年后已經(jīng)出現(xiàn)鍍層鼓泡等現(xiàn)象，超音速火焰噴涂WC-Cr3C2-Ni涂層并經(jīng)過(guò)封孔處理的活塞桿已經(jīng)使用3 年半，Cr2O3涂層并經(jīng)過(guò)封孔處理的活塞桿已經(jīng)使用3年，均沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題，仍在正常使用中。

Javed 等[52]的研究認(rèn)為電鍍硬鉻是一種在海洋工程應(yīng)用廣泛的保護(hù)涂層方法，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性，例如艦艇中的液壓缸活塞桿。然而，電鍍鉻層是使用致癌鉻酸生產(chǎn)的，當(dāng)前的環(huán)境要求尋找替代涂層。

高頻響伺服作動(dòng)器是高端試驗(yàn)裝備的關(guān)鍵核心部件，被喻為試驗(yàn)裝備的“心臟”，技術(shù)水平直接影響試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)芰?。高頻響伺服作動(dòng)器活塞桿以噴代鍍技術(shù)研究能極大促進(jìn)我國(guó)高端試驗(yàn)裝備產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展，提高重點(diǎn)項(xiàng)目和高端裝備的配套能力，為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化提供可靠準(zhǔn)確的指導(dǎo)數(shù)據(jù)。熱噴涂技術(shù)在眾多領(lǐng)域活塞桿的應(yīng)用中已經(jīng)顯示出其巨大的優(yōu)越性，例如顯微硬度高、耐磨損性好、耐腐蝕性強(qiáng)，節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)高效。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，從簡(jiǎn)單涂覆到如今的高性能，從單一種類到如今的多樣化，以噴代鍍技術(shù)得到良好的發(fā)展。

(1) 熱噴涂技術(shù)制備的涂層孔隙率低、顯微硬度高、結(jié)合強(qiáng)度大，并且耐磨損、耐腐蝕、耐疲勞。針對(duì)高頻響伺服作動(dòng)器活塞桿表面處理工藝難題，熱噴涂技術(shù)提供了有效的解決方案。

(2) 作為工業(yè)化產(chǎn)品應(yīng)用，熱噴涂技術(shù)的直接經(jīng)濟(jì)成本是傳統(tǒng)電鍍硬鉻的數(shù)倍，但通過(guò)熱噴涂技術(shù)制備的涂層既提高了使用性能，又縮短產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程，延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期，足以體現(xiàn)高額投資的長(zhǎng)期有效性。

(3) 熱噴涂涂層有著諸多替代電鍍硬鉻的優(yōu)勢(shì)性能，但孔隙問(wèn)題制約了其在當(dāng)前服役工況逐漸多樣化、復(fù)雜化下的應(yīng)用，通過(guò)特殊元素的摻雜，表面封孔處理，能在一定程度上提升以噴代鍍涂層的性能。