先进镁合金成品件的修复技术

先进镁合金成品件的修复技术

     镁合金作为轻金属材料具有许多优良的性能。例如，镁合金具有较高的比强度和比刚度，并具有高的抗震能力，能承受比铝合金更大的冲击载荷，此外，还具有优良的加工性能，因此，在航空、航天、汽车制造、光学仪器、无线电技术等领域越来越广泛地被应用。镁合金是常用航空金属结构材料中最轻的一类，可用于制作各类框架、壁板、起落架轮毂；发动机机匣、机架；仪表电机机壳和操纵系统中的支架、摇臂等零件。但镁合金的不足之处是耐蚀性差，特别不耐盐气和盐水腐蚀。为此开发了各种涂层系列，遗憾的是并没有根本解决问题，涂层很容易划伤、磨蚀、起皮或干裂，而这些损伤是使用中不可避免的。制约镁合金应用的关键问题一直是其差的抗蚀性。镁的标准电极电位很低，是极活泼的金属，即使在室温下也会在空气中发生氧化反应。镁还有较大的负差效应，当它接触阴极性金属或含有阴极性金属组元或杂质时，腐蚀强烈加剧。因此，国内外都在积极开展镁合金表面改性新技术的研究,如镁合金的等离子微弧阳极氧化、激光表面热处理、激光表面合金化、离子注入和物理气相沉积合金化等。本文针对镁合金加工处理时的特点，在已经修复ＺＭ２、ＺＭ５和ＺＭ６飞机用成品件的基础上，介绍了航空用镁合金的电火花合金化和镁合金的激光多层本体修复镁合金缺陷的技术。  
　　传统的镁合金的焊接技术
　　镁合金在气焊时，由于火焰的热量不够集中，被焊件的加热区较宽，所以焊缝的收缩应力大，容易产生裂纹等缺陷，又由于残留在对接、角接接头的熔剂和熔渣容易引起焊件的腐蚀，因此气焊用于不太重要的镁合金薄板结构及铸件的焊补。
　　镁合金的氩弧焊比较成熟，热影响区尺寸及变形比气焊小，焊缝的力学性能和腐蚀性能都比气焊好，但由于它的热作用大，会引起工件的较大变形，所以一直用于非成品件的加工处理。为此，科研工作者一直致力于寻找一种新的加工处理方法，实现对镁合金成品件的无变形无裂纹能细化组织，以解决镁合金成品件的修复问题。  
　　镁合金微弧冷焊的修复技术
高能微弧合金化是通过高能微弧放电的作用，把作为电极的导电材料溶渗进金属工件的表面，从而形成合金化的表面强化层，使工件表面的物理、化学性能和机械性能得到改善。我国的电火花表面强化在２０世纪５０年代就开展了，但由于基础科学研究和电火花设备落后，导致沉积速度慢且溶渗深度浅等。
　　近年来，先进的高能微弧冷焊技术在我国开始得到一些实际运用，在传统的电火花（ESD）技术的深入研究上湖南某科技公司研制的新一代电火花堆焊机－高能微弧冷焊机（HESD）有了较大的突破。在这样高能量高频率放电的微电弧作用下，电极转换沉积效率高，溶渗能力强。采用该设备先后成功地对两台航空发动机的ＺＭ５镁合金附件机匣成品件的渗油／铸造疏松进行了修补，沉积层厚度可达０．５ｍｍ以至１．０ｍｍ。同时，高能微弧强化具有工艺设备简单，携带方便，可现场操作，可随形处理，对工件热作用很小，无热变形、气孔和残余应力，合金层厚而且质量好，合金化后加工余量小，无毒气体或液体不污染环境，电极材料即合金化材料可自由选择更换。  
　　镁合金成品件的激光多层涂敷技术
　　钢铁的表面涂敷已有很多的研究，在工艺上也较容易实现。但对镁合金就困难得多，主要原因是镁比较活泼，镁及其合金在热处理时，极易产生如下问题。①粗晶问题? ②氧化和蒸发：形成的氧化镁，在熔池中易形成细小片状的固态夹渣；③热应力：镁及其合金热膨胀系数较大，容易引起较大的热应力，从而加剧裂纹的产生和引起工件的变形；④裂纹，如ＺＭ５，随着铝和锌的含量增高，结晶区显著增长，共晶体的量增多。而ＺＭ２和ＺＭ６，结晶范围大，热裂纹倾向大；⑤气孔：容易产生氢气孔，对Ｍｇ－Ａｌ－Ｚｎ系合金（如ＺＭ５），出现气孔的倾向是较大的；⑥在镁合金熔点以上时，氮气与镁即可发生反应，生成Ｍｇ３Ｎ２ 化合物。而当温度高于１０００℃以上时，可发生激烈反应。进入镁合金中的Ｍｇ３Ｎ２将影响金属的抗腐蚀性。而且，镁及其合金在没有隔绝氧的情况下，还容易燃烧，所以在熔化时需要惰性气体或焊剂保护。如果采用的热源没有足够的能率，加热时，热量会迅速向基体传导，轻则熔化层过厚，重则整个基体熔化。即使能率大到刚可控制熔化层深度，但因温度不够高，一般元素也不能熔化，因此也实现不了涂敷。目前能使镁合金表面熔化且达到较高温度而又可控制熔化层深度的最好热源是激光。
　　近年来，利用激光得高能密度，对镁合金进行表面处理尤为重视，陆续有一些研究发表。不过从总体上来说，这些研究还是初步的，大多处于实验室的阶段，所涉及的工艺有的是效果欠明显，有的工艺存在着难点，因此，实际中应用的还极少。
　　激光涂敷是把所要求的合金粉末涂敷到工件表面上，在激光束照射下使合金粉末熔化，同时基体产生微熔，在凝固过程中使合金粉末与基体牢固地结合成涂敷合金层。
　　激光涂敷是一个复杂的物理、化学和冶金过程，是一种对裂纹很敏感的工艺。而激光多层涂敷则是指在原涂敷层上预涂敷合金后，再重复一次或多次涂敷的工艺过程。这样做的目的是通过涂敷来增加涂敷层的厚度。经过实验表明，多次涂敷的裂纹敏感性会显著增大；前一道的表面缺陷，如裂纹、凹坑等会"遗传"给下一道涂敷层。再加上镁合金热处理时极容易发生氧化、蒸发、气化、气孔、热应力等相关问题，使得镁合金的激光多层涂敷的工艺更加复杂。
　　美国开展了对ＡＺ９１Ｂ铸造镁合金的合金的涂敷，日本、俄罗斯以及西欧的一些国家都在积极的开展类似的研究工作。目前的研究表明，在镁合金表面进行激光熔敷、合金化以及焊接均具有可行性与有效性。但是解决镁合金成品件的腐蚀坑修复和铸造缺陷的修复还未见报道。笔者受沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司和兰翔机械制造总厂的委托，用ＪＪ－Ｄ－４００型Ｎｄ－ＹＡＧ固体脉冲激光器，采用了激光多层涂敷技术，在大气条件下，采用氩气侧吹进行保护的方法，对镁合金成品件的腐蚀坑和铸造缺陷以及划伤进行了修复。
　　如今某型发动机的镁合金附件机匣?ＺＭ５　已经经受了工厂两次（3~10）kgf/cm2的打压考核，没有产生漏油现象，经受了外场科目飞行考核，没有发生异常。某型发动机使用的前支撑壳体（ＺＭ２），经工厂装机实验使用后，未见异常。修复的发动机后部减速箱壳体（ＺＭ６）已经通过军方的验证。
　　本研究中的激光多层涂敷区与基材为冶金结合，组织细密，激光多层涂敷区域没有发现气孔、裂纹、夹渣（氧化皮、溶剂）等缺陷。
　　激光涂敷是一个快速加热冷却和冶金的过程，结晶时由于冷却速度的加大，减少了脆性温区的范围，且提高了固液区的塑性，有利于减少热裂纹。同时由于激光的细化晶粒的作用，使其脆性温度区间变窄，减少了热裂纹。在涂敷前合金片和基体均进行了干燥，且在多层涂敷过程中均作了相应的处理，有效地防止了气孔的产生。由于镁及其合金热膨胀系数较大，在凝固时产生拉应力，拉应力超过了当时温度下材料的抗拉极限强度，因而产生裂纹。所以，应使基材的膨胀系数与涂敷材料的膨胀系数接近。而该研究中采用的是镁合金的本体涂敷，两者的膨胀系数一致，有效地减少了裂纹的产生。实验过程中使用了氩气保护，在一定程度上减少了氧化和蒸发，但在涂敷过程中，蒸发和气化仍然相当严重。
　　ＺＭ２和ＺＭ６合金中含有一定数量的稀土元素（ＺＭ２中含Ｃｅ，ＺＭ６中含Ｎｄ，两者均含Ｚｒ） ，对激光多层涂敷有一定影响。由于稀土元素的加入，改善了合金的流动性和润湿性，有利于形成一个完整光滑的表面，稀土元素可以使熔区微孔结构明显减少，组织得到细化。  
　　小结
　　１．提高镁合金的抗腐蚀性能是现代低密度高性能先进材料研究领域最为关注的问题，将高能量高频率电火花放电技术应用到镁合金表面合金化处理上，有着显著特色，如能深入研究其耐蚀原则，则意义深远。
　　２．在铸造镁合金基底上，使用激光本体多层涂敷工艺修复了腐蚀坑和铸造缺陷。涂敷层无裂纹和气孔缺陷，。涂层和基体有良好的冶金结合，无变形，不伤基材，满足了工厂提出的修复要求。可以据此开展镁合金成品件的修复工作，但许多机理性的研究工作有待深入。

你修理的都是什么部位，非关键区域表面吗？对轴承安装孔有没有修理研究呢？