陳體磊，張忠潔，張志強(qiáng)，吳笑笑，邢敬偉

（1.國營蕪湖機(jī)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(fù)技術(shù)領(lǐng)域，特別是航空、汽車模具行業(yè)，微弧火花技術(shù)、激光掃描作為材料表面強(qiáng)化和材料制備技術(shù)之一，已逐步應(yīng)用于各種關(guān)鍵性零件的修復(fù)當(dāng)中，在市場中有廣泛的應(yīng)用。同時這兩種修復(fù)技術(shù)均存在應(yīng)用局限，飛機(jī)上常用的一些航空零構(gòu)件，如外筒、殼體、推桿、導(dǎo)管等，深孔內(nèi)部腐蝕、劃傷、裂紋等缺陷，利用單一傳統(tǒng)的修復(fù)方法，如微弧沉積、激光等，無法得到滿意修復(fù)，單一技術(shù)的使用不能滿足修理性企業(yè)的實際需求，嚴(yán)重制約企業(yè)修復(fù)基礎(chǔ)能力的提升，通過兩種技術(shù)的復(fù)合實現(xiàn)該類零件修復(fù)的突破。實現(xiàn)該復(fù)合技術(shù)在航修企業(yè)的應(yīng)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(fù)技術(shù)

微弧火花沉積是利用高密度電能對金屬樣件表面瞬間進(jìn)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(shù)與化學(xué)處理表面強(qiáng)化、高能束表面強(qiáng)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(jìn)行，不需要借助特殊、復(fù)雜的設(shè)施和處理裝置，如真空系統(tǒng)、簡易保護(hù)罩裝置等。同時微弧火花沉積工藝設(shè)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(jié)構(gòu)，僅對局部損壞的地方針對性修復(fù)，同時針對異形曲面實現(xiàn)沉積，比如汽車模具、機(jī)械加工刀具和精密機(jī)械零件，對易磨損、損壞部位和獨特功能性刃口進(jìn)行局部沉積處理，達(dá)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(fù)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(fù)層與母材結(jié)合牢固。放電瞬時高壓高溫條件下，修復(fù)層重新經(jīng)過分子結(jié)合而形成的全新合會層，屬于再冶金結(jié)合，有別于簡單的涂覆工藝。

（5）修復(fù)層表面質(zhì)量、厚度與修復(fù)參數(shù)如頻率、功率、電壓、沉積時間等參數(shù)因素有關(guān)，可以通過對修復(fù)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而得到不同的工藝效果。修復(fù)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(xì)平銼等手工工具進(jìn)行簡單修理，可以在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行便捷操作，不需要多工件進(jìn)一步拆卸，減少拆裝工時和風(fēng)險，極大降低生產(chǎn)成本，提升修復(fù)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(fù)。在大多情況下，零部件缺陷修復(fù)過程為：先對表面進(jìn)行丙酮、酒精清洗，經(jīng)過機(jī)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(jīng)沉積堆焊加厚來修復(fù)，最后加工余量，恢復(fù)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(shù)存在的問題是：多數(shù)為較小功率設(shè)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(dǎo)致設(shè)備生產(chǎn)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(shù)

激光掃描熔化技術(shù)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(jīng)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(jié)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(chǎn)生飛濺，由于填充金屬不夠，表面出現(xiàn)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(dāng)熔池金屬冷卻時，焊縫金屬收縮，母材會限制其變形，產(chǎn)生拉應(yīng)力，焊縫底部出現(xiàn)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(xiàn)在[4]：

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

（2）焊接質(zhì)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(qiáng)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(jié)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(dǎo)率、物理性質(zhì)差異較大的異種或同種金屬材料進(jìn)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(diào)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(xì)優(yōu)化激光輻射的技術(shù)條件，有必要時還需采用涂層材料。同時，這些金屬的熱導(dǎo)率偏大，在焊接首次啟動時，當(dāng)激光能量較大時，部分激光反射到激光器，損壞光學(xué)元件，增加生產(chǎn)成本。

2 微弧火花沉積-激光掃描復(fù)合修復(fù)技術(shù)的特點及研究進(jìn)展

微弧火花沉積-激光掃描復(fù)合修復(fù)技術(shù)的工作過程如下：根據(jù)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(fù)涂層。前者可有效避免基材表面的大部分熔化，達(dá)到局部修復(fù)，母材中脆性金屬化合物滲入熔覆層量進(jìn)一步降低，減小修復(fù)零部件表面變形量，減少激光掃描技術(shù)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(fù)?？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(fù)缺陷金屬零部件。

激光熔覆技術(shù)和微弧火花沉積技術(shù)都存在一定不足，導(dǎo)致一些貴重零部件無法得到滿意修復(fù)。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對材料性能和修復(fù)速度提出越來越高的要求，單一的金屬修復(fù)技術(shù)難以滿足現(xiàn)代零部件修復(fù)的需要，因此，金屬零部件表面的復(fù)合沉積和修復(fù)技術(shù)開始引起人們的興趣，并作為現(xiàn)代表面涂層技術(shù)和修復(fù)技術(shù)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(xiàn)外延定向復(fù)合沉積曾提出了“激光微弧火花復(fù)合定向沉積”技術(shù)。先采用激光熔覆設(shè)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(jīng)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(chǔ)上發(fā)展起來的，這種新工藝被國內(nèi)外工業(yè)界介紹和應(yīng)用，也才是最近的是。在理論研究及其應(yīng)用方面，國外許多學(xué)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(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行了分析[7]。而在本文所述技術(shù)不同之處在于采用微弧火花沉積設(shè)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(fù)涂層，在此基礎(chǔ)上，利用激光熔覆設(shè)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(bǔ)，在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，隨著綠色再制造概念的提出，機(jī)械設(shè)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(chǎn)重要的投資。從這個角度來說，維修也是生產(chǎn)。用激光-微弧火花復(fù)合修復(fù)后可以使設(shè)備正常運行，有著顯著的經(jīng)濟(jì)價值。這進(jìn)一步顯示了激光熔覆技術(shù)和微弧火花沉積技術(shù)復(fù)合修復(fù)技術(shù)的優(yōu)越性。

3 復(fù)合修復(fù)技術(shù)航空修理中應(yīng)用情況

該復(fù)合技術(shù)已經(jīng)在修理廠加以嘗試應(yīng)用，已成功修復(fù)活塞桿、火藥推桿殼體、外筒、支撐機(jī)構(gòu)等內(nèi)孔腐蝕性零件成功案例。

（1）某航空關(guān)鍵殼體修復(fù)過程見圖3。

圖3 修復(fù)應(yīng)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(diào)配工藝參數(shù)，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(hù)氣（380 ～400）L/h，搭接率40% ～50%，光斑直徑2 mm。修復(fù)后進(jìn)行無損檢測檢查，通過兩種技術(shù)復(fù)合，彌補(bǔ)各自的技術(shù)缺陷，最終實現(xiàn)該類零部件的修復(fù)。通過對修復(fù)后的產(chǎn)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(shù)要求，該復(fù)合技術(shù)在航修企業(yè)中應(yīng)用推廣前景良好。

（2）微弧沉積與激光掃描復(fù)合修復(fù)技術(shù)主要用于超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼等飛機(jī)關(guān)鍵重要受力構(gòu)件表面損傷修復(fù)，如飛機(jī)端軸頸表層損傷的修復(fù)、起落架活塞桿法蘭盤裂紋的修復(fù)等，如圖4所示。

圖4 某型飛機(jī)主起落架活塞桿法蘭盤裂紋微弧沉積與激光掃描復(fù)合修復(fù)

（3）飛機(jī)掛梁導(dǎo)軌腐蝕坑的快速焊補(bǔ)

某飛機(jī)修理廠在修理某型飛機(jī)時遇到一個棘手問題，即該飛機(jī)的掛梁導(dǎo)軌面上由于微動磨損，產(chǎn)生大面積點蝕現(xiàn)象，采用傳統(tǒng)的機(jī)械打磨和焊補(bǔ)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(qiáng)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(yán)重。采用微弧沉積與激光掃描復(fù)合修復(fù)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)焊，經(jīng)檢測導(dǎo)軌基本無變形，焊補(bǔ)區(qū)冶金結(jié)合，經(jīng)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(jié)語

微弧火花沉積-激光掃描熔化處理是一種新型實用的復(fù)合修復(fù)工藝，具有獨特的技術(shù)價值，相較于傳統(tǒng)的單一修復(fù)技術(shù)而言，此復(fù)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(chǎn)生裂紋、修復(fù)的零件基材和修復(fù)效率較高等優(yōu)勢。目前這一復(fù)合技術(shù)仍需要多方面進(jìn)一步研究，例如修復(fù)基礎(chǔ)理論支撐性文件研究不夠，亟需進(jìn)一步研究與不同基材、掃描層相匹配的相工藝數(shù)據(jù)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(zhì)量有待提高，缺乏自動化的工藝裝備、涂覆可達(dá)性方面等等。通過對該新技術(shù)進(jìn)一步深入研究以及工藝推廣應(yīng)用，提升航空修理焊接基礎(chǔ)能力，解決該類缺陷修復(fù)的生產(chǎn)困境。