陳體磊，張忠潔，張志強，吳笑笑，邢敬偉

（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241000；2.安徽奇瑞商用車有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

在目前金屬零部件的高端和精密修復技術領域，特別是航空、汽車模具行業(yè)，微弧火花技術、激光掃描作為材料表面強化和材料制備技術之一，已逐步應用于各種關鍵性零件的修復當中，在市場中有廣泛的應用。同時這兩種修復技術均存在應用局限，飛機上常用的一些航空零構件，如外筒、殼體、推桿、導管等，深孔內部腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷，利用單一傳統(tǒng)的修復方法，如微弧沉積、激光等，無法得到滿意修復，單一技術的使用不能滿足修理性企業(yè)的實際需求，嚴重制約企業(yè)修復基礎能力的提升，通過兩種技術的復合實現該類零件修復的突破。實現該復合技術在航修企業(yè)的應用和推廣。

1 微弧火花沉積、激光掃描熔化處理分析

1.1 微弧火花沉積修復技術

微弧火花沉積是利用高密度電能對金屬樣件表面瞬間進行沉積處理的工藝，微弧沉積工藝見圖1所示。

圖1 微弧沉積

微弧火花沉積技術與化學處理表面強化、高能束表面強化以及噴涂等相比較，具有明顯的特點，具體特點[1-3]如下：

（1）該工藝一般在氬氣或開放環(huán)境下進行，不需要借助特殊、復雜的設施和處理裝置，如真空系統(tǒng)、簡易保護罩裝置等。同時微弧火花沉積工藝設備簡單，操作簡便，主要是采用CAD/CAM控制，傳動控制精度及自動化程度高。

（2）局部沉積性，可不影響零件的整體結構，僅對局部損壞的地方針對性修復，同時針對異形曲面實現沉積，比如汽車模具、機械加工刀具和精密機械零件，對易磨損、損壞部位和獨特功能性刃口進行局部沉積處理，達到改善工件耐磨性和表面硬度性能。

（3）工件局部熱變形量極小。修復作業(yè)時，瞬時使電極棒材料熔化，形成汽化的高溫區(qū)。同時，工作瞬間放電時間極短，放電接觸處的面積又相對窄，在放電的熱作用下，工件表面的微小接觸面受影響。而對于整個零件表面，基本上還處于較低、甚至常溫狀態(tài)，工件不會發(fā)生熱變形。

（4）修復層與母材結合牢固。放電瞬時高壓高溫條件下，修復層重新經過分子結合而形成的全新合會層，屬于再冶金結合，有別于簡單的涂覆工藝。

（5）修復層表面質量、厚度與修復參數如頻率、功率、電壓、沉積時間等參數因素有關，可以通過對修復參數的調節(jié)控制，進而得到不同的工藝效果。修復處理后的工件一般為最后工序，加工余量較小，僅僅需用鋼絲刷、銅絲刷、油石、細平銼等手工工具進行簡單修理，可以在生產現場進行便捷操作，不需要多工件進一步拆卸，減少拆裝工時和風險，極大降低生產成本，提升修復效率。

（6）操作方法簡單，對操作人員的個人技能要求較低。由于沉積速度比較慢等原因，微弧火花涂層適用于精密零部件的表面缺陷可靠性修復。在大多情況下，零部件缺陷修復過程為：先對表面進行丙酮、酒精清洗，經過機械加工或手工打磨，清除表面的腐蝕點、裂紋層、疲勞點和磨損處，經沉積堆焊加厚來修復，最后加工余量，恢復原始尺寸及表面粗糙度，工藝過程較為簡單。

微弧火花沉積技術存在的問題是：多數為較小功率設備，自動化程度低，沉積效率低，工作量較大，沉積層厚度不好控制，沉積層的厚度一致性較差，間接導致設備生產效率低，沉積層厚度也比較小，要求不高。

1.2 激光掃描熔化技術

激光掃描熔化技術通過激光照射工件表面，以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。存在問題是：該表面熔池同時會產生飛濺，由于填充金屬不夠，表面出現未焊滿缺陷，熔化的金屬會填充兩板間的間隙，焊縫金屬膨脹，當熔池金屬冷卻時，焊縫金屬收縮，母材會限制其變形，產生拉應力，焊縫底部出現缺口，形成根部收縮的缺陷，激光掃描工藝見圖2所示。

圖2 激光掃描

相對于傳統(tǒng)焊接方法，主要優(yōu)勢具體表現在[4]：

（1）能量密度高，高功率激光束經聚焦后，功率密度很高，可達（105～ 108）kW/cm2，比電弧焊（102～104）kW/cm2要高很多，線能量高，修復時間短，可焊接材料范圍相關較廣。

（2）焊接質量高，能夠獲取較大的熔深，且掃描處的基體組織致密度高、強度大。

（3）熱影響區(qū)和變形區(qū)都很小，激光掃描加熱及冷卻速度極高，其結晶速度比一般熔焊高幾十倍，熱影響區(qū)很小，材料變形小，無需后續(xù)工序處理。

（4）可焊接不同材料的組合，可對高熔點、高熱導率、物理性質差異較大的異種或同種金屬材料進行激光掃描點焊。

（5）激光掃描是無接觸加工沒有工具損耗和工具調換等問題。

激光掃描不足之處如下：激光光源系統(tǒng)、激光熔覆頭，激光用粉末成本偏高。并且激光的緊密聚集，熱量向零部件的有效傳遞，組裝偏差會影響焊接條件較大的變化，間接引起激光缺陷和降低熱效率。較高反射率材料（如鋁、銅等）的激光掃描，需要仔細優(yōu)化激光輻射的技術條件，有必要時還需采用涂層材料。同時，這些金屬的熱導率偏大，在焊接首次啟動時，當激光能量較大時，部分激光反射到激光器，損壞光學元件，增加生產成本。

2 微弧火花沉積-激光掃描復合修復技術的特點及研究進展

微弧火花沉積-激光掃描復合修復技術的工作過程如下：根據零件工況，先采用表面微弧火花沉積工藝，在零部件母材上沉積一層比較薄但塑韌性好的沉積層，接著在沉積層表面上采用激光掃描方法，制備零部件表面所需性能的修復涂層。前者可有效避免基材表面的大部分熔化，達到局部修復，母材中脆性金屬化合物滲入熔覆層量進一步降低，減小修復零部件表面變形量，減少激光掃描技術對可焊接性差的基材表面的作用，降低熱影響區(qū)組織改變量，做到快捷修復?？傊?，可以充分發(fā)揮兩者的各自的優(yōu)勢，避免各自的不足之處，完美修復缺陷金屬零部件。

激光熔覆技術和微弧火花沉積技術都存在一定不足，導致一些貴重零部件無法得到滿意修復。現代工業(yè)的發(fā)展對材料性能和修復速度提出越來越高的要求，單一的金屬修復技術難以滿足現代零部件修復的需要，因此，金屬零部件表面的復合沉積和修復技術開始引起人們的興趣，并作為現代表面涂層技術和修復技術的一個重要發(fā)展方向[5]。王維夫等[6]為了在定向鑄造高溫合金表面實現外延定向復合沉積曾提出了“激光微弧火花復合定向沉積”技術。先采用激光熔覆設備在定向凝固合金基體上熔覆制備出激光定向外延涂層，經表面磨平、微弧火花沉積，在激光外延涂層表面上，最終制備出沉積層外延生長涂層。該工藝是從傳統(tǒng)工藝基礎上發(fā)展起來的，這種新工藝被國內外工業(yè)界介紹和應用，也才是最近的是。在理論研究及其應用方面，國外許多學者也作了一定研究。E.Levashov等人用高清電子顯微鏡、X射線光電子譜對鋁合金沉積層的微觀結構和化學成分進行了分析[7]。而在本文所述技術不同之處在于采用微弧火花沉積設備，在可焊接性差的零部件母材上，制備出塑韌性較完好且無裂紋的較薄修復涂層，在此基礎上，利用激光熔覆設備快速制備出比較厚的涂層，大大提高了基體表面的耐磨性、耐蝕性、和高溫抗氧化性等，且可用于失效零件的焊補，在現代化的生產中，隨著綠色再制造概念的提出，機械設備、零件維修的重要性越來越突出。維修也是一種投資，它是與固定資產重要的投資。從這個角度來說，維修也是生產。用激光-微弧火花復合修復后可以使設備正常運行，有著顯著的經濟價值。這進一步顯示了激光熔覆技術和微弧火花沉積技術復合修復技術的優(yōu)越性。

3 復合修復技術航空修理中應用情況

該復合技術已經在修理廠加以嘗試應用，已成功修復活塞桿、火藥推桿殼體、外筒、支撐機構等內孔腐蝕性零件成功案例。

（1）某航空關鍵殼體修復過程見圖3。

圖3 修復應用實例

通過開展微弧沉積-激光掃描工藝試驗，選用GH4169材料，合理調配工藝參數，微弧沉積：輸出功率945 W，輸出電壓80 VAC，輸出脈沖電流頻率370 Hz，氬氣流量選擇在8 L/min；激光掃描：激光功率（800 ～ 1 000）W，掃描速度 0.01 m/s，保護氣（380 ～400）L/h，搭接率40% ～50%，光斑直徑2 mm。修復后進行無損檢測檢查，通過兩種技術復合，彌補各自的技術缺陷，最終實現該類零部件的修復。通過對修復后的產品，如火藥推桿殼體、外筒、活塞殼體、起落架收放作動筒、液壓回油殼體等，實驗臺驗裝以及上試用，均符合技術要求，該復合技術在航修企業(yè)中應用推廣前景良好。

（2）微弧沉積與激光掃描復合修復技術主要用于超高強度結構鋼等飛機關鍵重要受力構件表面損傷修復，如飛機端軸頸表層損傷的修復、起落架活塞桿法蘭盤裂紋的修復等，如圖4所示。

圖4 某型飛機主起落架活塞桿法蘭盤裂紋微弧沉積與激光掃描復合修復

（3）飛機掛梁導軌腐蝕坑的快速焊補

某飛機修理廠在修理某型飛機時遇到一個棘手問題，即該飛機的掛梁導軌面上由于微動磨損，產生大面積點蝕現象，采用傳統(tǒng)的機械打磨和焊補方法均不能很好的解決該問題，因為腐蝕坑較深，打磨會使工作面減薄，強度較低，而常規(guī)的電焊和氬弧焊方法熱輸入量較大，變形嚴重。采用微弧沉積與激光掃描復合修復技術進行補焊，經檢測導軌基本無變形，焊補區(qū)冶金結合，經過一段時間的使用，具有比基體更好的耐磨、抗腐蝕性能，已小規(guī)模推廣，使用良好、安全。

4 結語

微弧火花沉積-激光掃描熔化處理是一種新型實用的復合修復工藝，具有獨特的技術價值，相較于傳統(tǒng)的單一修復技術而言，此復合工藝具有熱輸入量少，對可焊接性差的金屬基材的熱影響和熱損傷很少，涂層不產生裂紋、修復的零件基材和修復效率較高等優(yōu)勢。目前這一復合技術仍需要多方面進一步研究，例如修復基礎理論支撐性文件研究不夠，亟需進一步研究與不同基材、掃描層相匹配的相工藝數據和電極棒材料等，微弧火花沉積層的工藝穩(wěn)定性和涂層質量有待提高，缺乏自動化的工藝裝備、涂覆可達性方面等等。通過對該新技術進一步深入研究以及工藝推廣應用，提升航空修理焊接基礎能力，解決該類缺陷修復的生產困境。