鋁合金表面修復(fù) 鋁及其合金表面自然形成一層強(qiáng)韌性的氧化膜，由此造成在實(shí)際焊接過程中很難防止暴露區(qū)域的氧化行為。電阻點(diǎn)焊焊接鋁合金也是非常困難的，盡管該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鋁合金的焊接，因?yàn)楸砻嫜趸さ拇嬖趯?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(shí)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(qiáng)化的方式主要有變形強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化。常規(guī)焊接方法一般會(huì)在焊接時(shí)由于熱輸入的熱量會(huì)惡化變形強(qiáng)化或析出強(qiáng)化的鋁合金。 弧焊和點(diǎn)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(shí)由于Mg含量在3~6%之間極易形成疏松缺陷。以上缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(huì)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)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(bǔ)手段很難做到對(duì)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(duì)多種航空航天、汽車、電機(jī)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(jī)使用，效果非常好。圖3為我們?cè)谀澈娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)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(diǎn)。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(shí)驗(yàn)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(duì)飛機(jī)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(qiáng)化處理。 表面滲碳 鈦合金在制作成轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)使用的部件。然而鈦合金的耐磨性非常差，因?yàn)樗谶\(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)指定區(qū)域的滲碳。而金屬醫(yī)生恰好可以實(shí)現(xiàn)在常溫下對(duì)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(shí)驗(yàn)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(hào)飛機(jī)用鈦合金部件的表面強(qiáng)化處理上。圖6即為我們對(duì)某化工廠閥門表面進(jìn)行滲碳處理的實(shí)物圖，圖7中黑色區(qū)域即為滲碳強(qiáng)化處理區(qū)域。 鈦合金耐磨件的表面滲氧強(qiáng)化 鈦合金的表面滲碳、滲氮由于處理時(shí)間長(zhǎng)、溫度高，對(duì)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(shí)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(jī)件的國(guó)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?yàn)樘幚聿课唬┾伜辖鸬男迯?fù) 航空航天部件上使用的鈦合金基本上是采用熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度鈦合金進(jìn)行制造的。這些部件由于在操作運(yùn)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(shí)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(huì)對(duì)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(huì)造成部件的變形、腐蝕敏感性增強(qiáng)、熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降、吸氫/氮/氧等后果。而且，一些高強(qiáng)鈦合金如武器或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)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