鋁合金表面修復(fù) 鋁及其合金表面自然形成一層強韌性的氧化膜，由此造成在實際焊接過程中很難防止暴露區(qū)域的氧化行為。電阻點焊焊接鋁合金也是非常困難的，盡管該技術(shù)可以實現(xiàn)鋁合金的焊接，因為表面氧化膜的存在導(dǎo)致表面電阻發(fā)生變化[12]。與鐵不同，鋁只有一種同素異形體，這樣在冷卻時就無相轉(zhuǎn)變發(fā)生而造成顯微結(jié)構(gòu)的變化。鋁合金強化的方式主要有變形強化、固溶強化和析出強化。常規(guī)焊接方法一般會在焊接時由于熱輸入的熱量會惡化變形強化或析出強化的鋁合金。 弧焊和點焊是鋁合金焊接中較常采用的焊接技術(shù)。最近由于激光技術(shù)的迅速發(fā)展，激光焊接技術(shù)得到迅猛的發(fā)展并在鋁合金的焊接上的應(yīng)用越來越廣泛。然后，由于鋁合金種類的不同而存在不同的問題。如，有研究表明在焊接AA6xxx系列鋁合金由于存在較大的凝固溫度區(qū)間而極易形成諸如裂紋等缺陷，在焊接AA5083時由于Mg含量在3~6%之間極易形成疏松缺陷。以上缺點的存在，導(dǎo)致鋁合金的激光焊接比較于鋼鐵材料的焊接而言要復(fù)雜得多。 圖1 航空發(fā)動機上鑄造Al合金表面的氣孔缺陷而且，氧與鋁之間的高活性會導(dǎo)致鋁合金產(chǎn)品在鑄造過程中極易發(fā)生疏松和氣孔等缺陷，如圖1為某型號發(fā)動機鑄造件表面上形成的縮孔，圖2為ZL104鋁合金中形成的疏松缺陷。疏松和氣孔的存在會嚴(yán)重降低制件的服役性能，甚至造成事故。但由于這些鋁合金制件多為薄壁件且一般已經(jīng)加工成成品，常規(guī)的焊補手段很難做到對基材不產(chǎn)生熱損傷。而金屬醫(yī)生技術(shù)卻可以很好的解決這一問題。 圖2 ZL104合金上形成的疏松 如今我們采用金屬醫(yī)生技術(shù)對多種航空航天、汽車、電機等上使用的鋁合金部件的疏松、氣孔和表面裂紋等缺陷進(jìn)行了修復(fù)。經(jīng)過裝機使用，效果非常好。圖3為我們在某航空發(fā)動機部件上使用金屬醫(yī)生技術(shù)進(jìn)行修復(fù)后的截面圖。 圖3 Al-Si合金表面的HEMAA涂層鈦合金的表面滲碳、滲氧強化和修復(fù) 鈦及其合金由于其突出的綜合性能而廣泛應(yīng)用于航空航天、化學(xué)、汽車制造以及核工業(yè)領(lǐng)域。但鈦合金由于不耐磨，因此需要進(jìn)行表面滲碳處理以提高其表面耐磨性。 常規(guī)滲碳方法有電鍍、滲碳爐滲碳、放電加工、ＰＶＤ、ＣＶＤ等方法，但這些方法均沒有易加工、處理溫度低、可高速以及大面積處理等優(yōu)點。采用電火花滲碳形成滲碳層，其滲層深約５μｍ，經(jīng)電子探針和Ｘ射線分析確認(rèn)是碳向鈦基體梯度滲入生成的ＴｉＣ層。該方法屬于擴(kuò)散處理的一種，得到的硬化層與涂層處理得到的硬質(zhì)層不同，具有與一般的梯度膜同樣良好的致密性，硬度為Ｈｖ２２００ 基材約為Ｈｖ２００。經(jīng)摩擦實驗發(fā)現(xiàn)，電火花加工處理可降低鈦的摩擦系數(shù)，提高耐磨性。另外，經(jīng)處理的表面耐鹽水和硫酸的腐蝕性能也優(yōu)于純鈦。 另外，我們還對飛機的鈦合金防冰殼體、鐵基高溫合金以及鎂合金零部件進(jìn)行了電火花強化處理。 表面滲碳 鈦合金在制作成轉(zhuǎn)動部件后進(jìn)行應(yīng)用非常具有吸引力，如汽車的閥門、化工用的泵閥以及飛機使用的部件。然而鈦合金的耐磨性非常差，因為它在運動過程中極易發(fā)生粘著磨損。 鈦及鈦合金的滲碳可以在非氧化性氣氛的環(huán)境下實現(xiàn)。根據(jù)Ti-C相圖可以發(fā)現(xiàn)，Ti-C相圖有別于Ti-O相圖與Ti-N相圖，C在Ti中的固溶度非常? iC化合物的厚度一般在1～10μm。但一旦TiC形成后，再形成更深的滲碳層就非常不容易。滲碳溫度一般在1050℃的溫度下進(jìn)行，同時需要有滲碳介質(zhì)存在才能完成滲碳過程。 圖4為Ti-C相圖。其中γ相為TiC1-x，此處x在一定范圍內(nèi)變化。 圖4 Ti-C相圖傳統(tǒng)的滲碳處理工藝是不能完成對指定區(qū)域的滲碳。而金屬醫(yī)生恰好可以實現(xiàn)在常溫下對指定區(qū)域的滲碳。 圖5 TC4鈦合金表面滲碳層的顯微硬度鈦合金表面的滲碳實驗采用碳棒作電極，鈦合金作為基體材料。圖5為滲碳結(jié)束后得到的硬度分布曲線，表層的顯微硬度可以到達(dá)Hv1500，由表及里存在梯度逐漸降低到基材的位置。在合金化過程中將發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)過程： C+α―Ti→αTi(C) (1) C+Ti→TiC (2) 如今該工藝已經(jīng)成功的應(yīng)用到化工廠閥門表面的滲碳和某型號飛機用鈦合金部件的表面強化處理上。圖6即為我們對某化工廠閥門表面進(jìn)行滲碳處理的實物圖，圖7中黑色區(qū)域即為滲碳強化處理區(qū)域。 鈦合金耐磨件的表面滲氧強化 鈦合金的表面滲碳、滲氮由于處理時間長、溫度高，對鈦合金耐磨件的損傷比較大，限制了該工藝的應(yīng)用。而鈦合金金的表面滲氧不僅處理時間短，而且處理溫度還低于滲碳、滲氮溫度，處理后硬度可以達(dá)到HV500-800（相當(dāng)于于HRC50-80）。應(yīng)用前景廣闊，在進(jìn)口飛機件的國產(chǎn)化上得到應(yīng)用。 圖6 采用金屬醫(yī)生進(jìn)行合金化滲碳處理的閥門 （黑色區(qū)域為處理部位）鈦合金的修復(fù) 航空航天部件上使用的鈦合金基本上是采用熱處理強化的高強度鈦合金進(jìn)行制造的。這些部件由于在操作運轉(zhuǎn)、腐蝕、磨擦等工況的作用發(fā)生磨損和損傷。然而，每年均有大量昂貴的魚雷、藥筒以及刮傷的鈦合金部件由于摩擦而表面形成缺陷需要修復(fù)。同時有一部分鈦合金存在鑄造缺陷需要進(jìn)行修復(fù)。一部分鈦合金部件可以采用傳統(tǒng)的焊接技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。由于傳統(tǒng)的焊接方法會對基材產(chǎn)生大量的熱損傷，而且這種熱損傷常常是有害的，會造成部件的變形、腐蝕敏感性增強、熱影響區(qū)的強度下降、吸氫/氮/氧等后果。而且，一些高強鈦合金如武器或飛機發(fā)動機上使用的Ti-6A-2Sn-4Zr-6Mo合金、被認(rèn)為是不可焊合金。基于以上原因，這些部件的修復(fù)一般不考慮采用常規(guī)的焊接技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的辦法。圖7為由于磨損和龜裂造成的缺陷。圖8為在Ti6Al4V基材上進(jìn)行金屬醫(yī)生后得金相照片。 圖7 磨損與減尺后的Ti6Al4V-渦輪銷軸 圖8在Ti6Al4V表面上制備出的金屬醫(yī)生涂層