邵春宇，張學(xué)謙，劉繩武

（1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，蕪湖241000；2.山東理工大學(xué)，淄博255000）

1 引言

隨著鋁合金整體制造水平的提高，其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，特別是近幾年來(lái)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，使用了大量的鋁合金，用量較多的鋁合金主要為7B04、2B06和2D70等。鋁合金結(jié)構(gòu)件在使用的過(guò)程中，因其所處的環(huán)境十分嚴(yán)酷，同時(shí)還承受交變或沖擊載荷，常會(huì)出現(xiàn)磨損、腐蝕和裂紋等故障，所以研究如何利用新技術(shù)快速高效修復(fù)結(jié)構(gòu)件故障的需求十分迫切。各類(lèi)噴涂技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件故障修理過(guò)程中已展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而Al2O3陶瓷粉末因其優(yōu)良的性能和特點(diǎn)，作為原材料已廣泛的應(yīng)用在各類(lèi)噴涂修復(fù)技術(shù)中，用于修復(fù)典型的飛機(jī)故障件［1，2］。未來(lái)關(guān)于高質(zhì)量的氧化鋁粉末的制造和應(yīng)用方面的研究意義重大。

2 Al2O3陶瓷粉末的制造和性能特點(diǎn)

2.1 Al2O 3陶瓷粉末的性能特點(diǎn)

氧化鋁的熔點(diǎn)高，為2200℃左右。氧化鋁粉末材料具有儲(chǔ)量豐富、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及高溫抗氧化性等優(yōu)點(diǎn)。氧化鋁粉末廣泛應(yīng)用在冷噴涂、熱噴涂等技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)在航空航天、機(jī)械制造、化學(xué)化工等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景［3］。

2.2 Al2O3陶瓷粉末制造工藝

國(guó)內(nèi)外的氧化鋁制造工藝［4］幾乎都是用堿法生產(chǎn)的，分拜爾法、燒結(jié)法和拜爾-燒結(jié)法，其中以拜爾法為主。

（1）拜爾法適用于鋁硅比高的鋁土礦，優(yōu)點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單、投資省和能耗低。

（2）堿石灰燒結(jié)法適用于處理鋁硅比低的鋁土礦。

（3）拜爾-燒結(jié)聯(lián)合法以拜爾法為主，輔以燒結(jié)法，分為串聯(lián)法、并聯(lián)法和混聯(lián)法，可充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，適用于較低鋁硅比的鋁土礦。

3 常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)故障模式和特點(diǎn)

鋁合金結(jié)構(gòu)件在使用過(guò)程中產(chǎn)生的損傷主要包括：交變載荷引起的疲勞裂紋損傷，使用環(huán)境所造成的腐蝕損傷，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造工藝粗糙而產(chǎn)生的磨損超差等損傷。

3.1 腐蝕

腐蝕是構(gòu)件在使用環(huán)境下隨著日歷時(shí)間的推移而發(fā)生的環(huán)境損傷，它是化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)造成的材料變質(zhì)或損耗，對(duì)金屬材料稱(chēng)為腐蝕（見(jiàn)圖1）。

圖1 腐蝕故障

3.2 磨損

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或制造工藝粗糙往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件磨損等故障，此類(lèi)故障（見(jiàn)圖2）的修復(fù)一般采用換新處理。換新處理需要重新制造零件并重新安裝，修理周期無(wú)法保證。

圖2 結(jié)構(gòu)孔磨損故障

3.3 裂紋

鋁合金結(jié)構(gòu)件在服役過(guò)程中，會(huì)因承受變動(dòng)載荷而產(chǎn)生裂紋；除此之外，在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下也會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋是飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)件最常發(fā)生的故障，某些典型部位裂紋用常規(guī)加強(qiáng)修復(fù)方法較難操作，因此研究飛機(jī)鋁合金結(jié)構(gòu)件裂紋快速修復(fù)新技術(shù)極具實(shí)用價(jià)值。

4 常用的Al2O3陶瓷粉末修復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)故障技術(shù)

Al2O3陶瓷粉末修復(fù)結(jié)構(gòu)故障技術(shù)主要依托各類(lèi)噴涂技術(shù)。噴涂技術(shù)（表面處理）可在普通材料上，制造一個(gè)特殊的工作表面，使其具備防腐蝕、耐磨、隔熱、導(dǎo)電、抗氧化、防微波輻射和絕緣等多種功能。常用的主要包括冷噴涂、熱噴涂等技術(shù)，這些技術(shù)在某些飛機(jī)零件修復(fù)中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

4.1 冷噴涂Al2O3陶瓷粉末修復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件故障

冷噴涂技術(shù)是指金屬粒子未發(fā)生融化，而是通過(guò)壓縮空氣將其加速到臨界速度以上，通過(guò)發(fā)生形變直接沉積到基體表面形成涂層的技術(shù)。據(jù)報(bào)道，美國(guó)現(xiàn)役11艘航母上均配備攜帶冷噴涂設(shè)備的移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)保障航母及艦上裝備戰(zhàn)時(shí)修復(fù)需要?？梢?jiàn)，冷噴涂技術(shù)在裝備修理方面應(yīng)用前景十分廣闊。冷噴涂常用的噴涂粉末有鋁和Al2O3粉末的混合粉末、純鋁粉末、通用的鎳基混合粉末（包括鎳和氧化鋁）等。

鋁和Al2O3粉末的混合粉末冷噴涂修理飛機(jī)零件時(shí)，可快速的沉積。修復(fù)后零件和涂層間具有較好的結(jié)合力（大于35 MPa），硬度在46 HB以上，并且具有較好的切削加工性能。可以用于鋼、鋁、鎂及其合金等多種零件的修復(fù)，修復(fù)試驗(yàn)件見(jiàn)圖3。

圖3 修復(fù)試驗(yàn)件

為了提高涂層結(jié)合強(qiáng)度或者使其具有更好的防腐蝕性能，相關(guān)研究單位還設(shè)計(jì)出多種全新的鋁和Al2O3的混合粉末，這類(lèi)粉末可以用于特殊環(huán)境或某種功能需要下的零件修復(fù)。例如海洋環(huán)境或駐島部隊(duì)裝備腐蝕情況比較嚴(yán)重，這時(shí)則需要具有更好的防腐蝕性能的鋁和Al2O3的混合粉末。

4.2 熱噴涂Al2O3陶瓷粉末修復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件故障

熱噴涂主要是利用火焰、電弧、等離子體等熱源將噴涂材料加熱到熔融或半熔狀態(tài)，并加速使粒子碰撞到基體上形成涂層的技術(shù)［5］。

與其它表面處理工藝相比，熱噴涂技術(shù)的可噴涂材料更加廣泛。針對(duì)鋁合金硬度低、耐磨性差、受損時(shí)失效快等缺點(diǎn)，熱噴涂的高抗磨性正好可以彌補(bǔ)它的這些缺點(diǎn)。熱噴涂層中所含的氧化物（Al2O3陶瓷粉末等）、氮化物等第二相粒子均可以增加涂層硬度，提高耐磨性，而涂層孔隙尚能保持一層潤(rùn)滑膜，還能容納因磨損所產(chǎn)生的碎屑，從而使接觸面積保持清潔，起到減磨作用［6］。

利用高能量激光器在鋁合金表面進(jìn)行熔覆處理是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種表面改性技術(shù)，通過(guò)激光處理，可以提高其耐磨性、耐蝕性和耐熱性。激光處理通常有兩種方法：一種是對(duì)預(yù)涂覆的涂層進(jìn)行激光重熔處理；另一種是直接送粉熔覆。由于鋁對(duì)紅外激光的高反射率，直接送粉進(jìn)行激光熔覆是極為困難的，清華大學(xué)李言祥等曾研究激光熔覆陶瓷層的機(jī)理和工藝條件［7］，實(shí)現(xiàn)了鋁基體首先等離子噴涂復(fù)合陶瓷涂層，然后激光二次熔覆氧化鋁粉末［8］。該技術(shù)在修復(fù)飛機(jī)易磨損鋁合金結(jié)構(gòu)件中（如活動(dòng)舵面的螺栓孔和結(jié)構(gòu)件對(duì)接區(qū)域等）具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.3 其它技術(shù)

微弧氧化（Micro-Arc Oxidation，MAO）又稱(chēng)等離子體氧化，該技術(shù)并不是直接利用Al2O3陶瓷粉末，而是在陽(yáng)極氧化的基礎(chǔ)上，在金屬基表面原位生長(zhǎng)陶瓷（Al2O3等）層的一種表面修復(fù)技術(shù)。其耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫沖擊性等性能均優(yōu)于陽(yáng)極氧化膜［9］，該技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)附近部位結(jié)構(gòu)件的磨損修復(fù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景［10］。

5 Al2O3陶瓷粉末在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件修理中的應(yīng)用展望

綜合Al2O3陶瓷粉末在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，尤其是鋁合金結(jié)構(gòu)件表面修復(fù)中的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)關(guān)于Al2O3陶瓷粉末的研究建議加大以下兩個(gè)課題的研究投入。

5.1 高質(zhì)量的Al2O3陶瓷粉末制備技術(shù)研究

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱噴涂技術(shù)對(duì)粉末顆粒度、純度及均勻性提出了更高的要求，對(duì)超細(xì)高純氧化鋁粉末的需求量也愈來(lái)愈大。而噴涂技術(shù)需要的粉末要求在1～50μm之間，且分散性小，粉末流動(dòng)性好，嚴(yán)防受潮，建議使用冷噴涂專(zhuān)用粉末，而不要使用熱噴涂通用粉末。目前國(guó)產(chǎn)粉末性能仍然無(wú)法比擬進(jìn)口粉末。因此，研究Al2O3陶瓷粉末在微米、亞微米和納米三種不同尺寸下探索其作為噴涂原料的不同修復(fù)效果，以及為滿足不同結(jié)構(gòu)件的修復(fù)質(zhì)量要求開(kāi)展具體針對(duì)性研究，具有十分重要的意義。

5.2 進(jìn)一步擴(kuò)大Al2O3陶瓷粉末應(yīng)用范圍的探究

氧化鋁陶瓷粉末一般與其它材料（金屬材料或陶瓷材料）組成混合粉末，用于修復(fù)鋼、鎂合金、銅等材質(zhì)結(jié)構(gòu)件。目前Al2O3陶瓷粉末修復(fù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的實(shí)際效果還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證，需要廣大科研工作者和飛機(jī)修理工程師加大該領(lǐng)域的應(yīng)用研究。