淺談激光熔覆技術在機載導彈吊掛上的應用

趙 融，肖 軍，梁子豪，余友軍

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

0 引言

吊掛作為機載導彈連接發射裝置的主承力件，在導彈整個服役周期中使用條件最為苛刻。吊掛需完全暴漏在大氣中，伴隨載機的值班、起飛、著陸、機動、巡邏等全過程。長期承受沖擊、振動、摩擦、過載等多種載荷的耦合作用，吊掛會出現磨損現象。隨著海洋利益的凸顯，機載導彈更是深海較量中不可缺少的利器，高溫、高濕的海洋環境對吊掛的耐腐蝕性也是嚴峻的考驗。吊掛是導彈軌道式發射的重要裝置，若結構腐蝕或磨損，必將影響其強度和壽命，嚴重危及到飛行安全。因此耐磨和耐腐蝕性能差是威脅吊掛安全的主要問題。目前，有學者提出在吊掛的表面噴涂航空潤滑脂或者防燒粘功能涂料來保護吊掛，但這種常規的防護只能暫時緩解吊掛的損傷[1]。針對吊掛的磨損和腐蝕問題，急需提出一種長效的防護技術。激光熔覆表面處理技術可在不改變吊掛外形的基礎上，有效的提高吊掛的耐磨和耐腐蝕性能。本文將通過結構設計、特殊工藝、試驗驗證等多方面研究，淺談激光熔覆在機載導彈吊掛應用的合理性。

1 吊掛現狀分析

18Ni時效鋼因高強度、強韌性，加工性能好等優點，廣泛用于多種導彈的吊掛材料[2]。然而，18Ni時效鋼的耐蝕性較差，在濕熱的環境中極易腐蝕。通過18Ni馬氏體鋼的 EDS 譜圖可知，18Ni含有 Co、Ti、Mo等作為強化元素。但試驗證明，18Ni在濕熱環境下，72小時后強化元素對18Ni耐腐蝕性能的強化作用基本喪失，材料會發生嚴重鹽霧腐蝕。相關圖片見圖1。

圖118 Ni馬氏體鋼的EDS譜圖和吊掛腐蝕圖片

另外，導彈在掛飛時，會受到大過載和強沖擊作用。吊掛摩擦面嚴重磨損后會產生凹坑，發生熱裂、氧化和熱黏著等一系列惡化現象，導致接觸面潤滑性降低，摩擦副失效。導彈發射時，極可能造成無法順利離軌，嚴重危害飛行安全。

實際使用中，可在吊掛表面涂抹MoS2干膜潤滑劑來降低磨損和提高耐蝕性。因為耐高溫，抗磨損、不沾水等特點，MoS2干膜潤滑劑在一定程度上起到了保護吊掛的作用。但受到持續的沖擊、振動等影響，MoS2干膜容易發生磨損脫落，外漏的18Ni會重新腐蝕和磨損，根源上無法解決吊掛的長效防護問題。

2 激光熔覆技術的應用

2.1 激光熔覆技術

激光熔覆技術是一種特殊的表面改性技術，它是以高能激光束作為熱源，以一定的角度照射在基材表面的預置熔覆粉末上，粉末呈熔融狀態后與微熔基材發生分子或者原子間擴散，形成良好的冶金熔覆層，大幅度提高基體材料的耐磨、耐腐蝕等性能。激光熔覆技術具有熔覆層厚度可控、熱影響范圍小、覆層稀釋率低等優點[3-7]。

2.2 吊掛結構加工技術

吊掛作為機載導彈重要的機械接口，其尺寸公差、粗糙度等具有嚴格的要求。單靠控制熔覆層厚度的方法無法保證吊掛的設計尺寸，必須對熔覆層進行再加工。經論證，可先將原始吊掛的厚度加工為小于設計尺寸1.5 mm左右，以預留出熔覆層空間，經熔覆后整個吊掛的尺寸略大于設計尺寸，再精加工去除多余的熔覆層以保證設計尺寸，1.5 mm即為熔覆層厚度。從經濟性考慮，只選擇吊掛與發射裝置構成摩擦副的工作平面進行熔覆，其他非工作面仍采用普通涂層防護。如下圖所示，圖2上為吊掛的結構示意圖（黑色所示為熔覆層位置），圖2下為激光熔覆后吊掛加工示意圖。

圖2 吊掛結構及激光熔覆后吊掛加工示意圖

2.3 熔覆材料

激光熔覆過程凝固速度非常快，這就要求熔覆粉末和基體材料的熱脹系數、熱導率等參數盡量相近[8]。參數的差異將影響到熔覆過程的熱循環，若差異過大，熔覆層和基體界面間會出現分層、裂紋等缺陷。選用與基體具有熱相容性的鎳基合金粉末，添加可固溶于Ni的耐腐蝕元素Cr，Cr含量在10%左右，利用高能球磨機制成均勻的合金粉末。

2.4 工藝流程

激光熔覆是集對流、傳質、傳熱為一體的復雜過程，工藝參數將直接影響單道熔覆層的組織形貌。工藝參數主要包括激光器的輸出功率、掃描速度、保護氣流量等，各參數之間互相影響。主要工藝路線為：吊掛毛胚—機加—尺寸檢驗—打磨—噴砂—表面活化—超聲清洗—裝夾吊掛—調節工藝參數—預熱—激光熔覆—降溫—機加—發藍—精加工—尺寸檢驗—著色探傷—保護—入庫。各工序需要拍照和記錄，做到產品的可追溯性。圖3為熔覆前后的對比照。

圖3 吊掛激光熔覆過程現場圖

3 試驗驗證

整個激光熔覆過程需要多道工序才能完成，過程須有嚴格的控制要求，成形后的覆層性能也需要一系列的試驗進行驗證。吊掛的外觀應致密光亮、無孔洞和雜質；吊掛的一般尺寸應符合±0.05 mm的公差要求，關鍵尺寸應符合±0.02 mm的公差要求。目視外觀，借助三維坐標儀等專用工具，選取外觀和尺寸都符合要求的吊掛進行試驗，以獲取工藝改進所需要的數據。試驗主要涉及硬度、摩擦性能、環境適應性等測試。結果如圖4所示，（a）為熔覆層的硬度測試結果；（b）和（c）反映熔覆層的摩擦系數和磨損率變化；（d）為環境適應性試驗后吊掛的照片。

圖4 熔覆層經測試后的結果情況

3.1 覆層性能

激光熔覆層的硬度測試參照GB/T4340.1-2009進行測試，借助維氏顯微硬度計測定覆層的截面顯微硬度。顯微維氏硬度大于450 HV即為合格。從圖4（a）可知，熔覆層的硬度沿截面深度均勻分布，硬度值保持在480 HV～490 HV之間。這就說明熔覆層內部組織均勻致密，硬度值遠大于規定要求。

熔覆層的摩擦性能通過Rtec摩擦試驗機進行測試，試驗采用盤式接觸，工作條件設定載荷100 N，滑動距離為500 m，滑動速度為0.21 m/s。平均摩擦系數由試驗機自動繪制，要求不大于0.3；磨損率則是根據體積磨損量來評價。從圖4（b）可知，隨著增大滑動距離，熔覆層的摩擦系數幾乎維持在常數0.2，說明熔覆層具有優良的自潤滑性，可以有效減少工作面的摩擦；圖4（c）表示熔覆層與GCR15球體對摩后磨損率的變化，18Ni基體材料磨損數值接近15×10-5mm/N·m，而熔覆層的數值大約為2.5×10-5mm/N·m，熔覆層的磨損率約為18Ni基材磨損率的1/6，可見熔覆層的耐摩擦性能十分優異，通俗的講，經過熔覆的吊掛會更耐用。

3.2 環境適應性

激光熔覆狀態的吊掛隨全彈進行環境適應性考核試驗，試驗包括耐久振動、著陸沖擊、濕熱試驗。

為真實的反映導彈掛飛過程中承受的振動載荷，設計出隨機振動試驗臺、振動夾具、發射裝置和導彈組成的耐久振動試驗系統。具體方法為：導彈通過發射裝置懸掛于振動夾具，振動夾具用螺釘固定在振動臺面，通過振動臺激勵對導彈進行隨機振動試驗。控制傳感器分別安裝于導彈的頭部、尾部以及振動臺面，采用三點均值控制。根據國軍標規定的試驗條件進行振動試驗，方向垂直于試驗臺面，時間為1 000 min，振動譜線如圖5所示。

圖5 耐久振動試驗譜線

著陸沖擊是模擬載機著陸瞬間，機翼下掛裝的導彈受到的垂向沖擊載荷。整個試驗系統包括垂直沖擊試驗臺、沖擊夾具、發射裝置和導彈，連接方式同振動試驗。控制傳感器安裝在沖擊臺面，采用單點控制。沖擊加速度峰值和持續時間由載機提供，沖擊次數根據導彈的最高壽命設定。試驗條件如表1。

表1 著陸沖擊試驗條件

濕熱試驗主要是用來考核導彈在高溫高濕的環境中，吊掛的耐腐蝕性能。把整彈放進濕熱環境箱，設定溫度、相對濕度隨時間的變化規律，進行周期性試驗。按照國軍標中規定的軍用設備濕熱條件進行試驗，每試驗周期為24 h，本試驗設計10個周期循環。除了在溫度下降段相對濕度允許下降到85%以外，其他各階段相對濕度必須保持在95%左右。（見表2）

表2 導彈濕熱試驗條件

從圖4（d）照片可知，經過一系列的振動沖擊試驗后，吊掛依然保持摩擦面光滑平整、無凹坑；濕熱試驗進行1000 h后，覆層表面仍然呈金屬光澤。說明覆層材料能夠經受嚴酷的使用環境考驗。如圖6所示，環境適應性試驗中使用的設備從左到右依次為隨機振動試驗臺，垂直沖擊試驗臺以及濕熱環境箱。

圖6 環境適應性試驗使用的設備圖

3.3 無損檢測

激光熔覆過程中，因保護氣體在金屬凝固時沒有及時逸出等原因，成形后表面可能會出現微裂紋，著色滲透法是發現這類隱患的主要手段。用清洗劑把吊掛表面清洗干凈，自然干燥；使用毛刷將滲透劑涂抹在吊掛表面，保持濕潤狀態10 min，使滲透劑充分滲透；之后一次性清除多余的滲透劑，并將顯像劑噴涂在吊掛表面，靜置7 min，觀察試驗結果。環境適應性試驗前后，分兩次對同一吊掛進行著色滲透檢測，經檢測覆層表面組織致密，無裂紋，無雜質等缺陷。

4 結束語

為解決某導彈吊掛耐磨性和耐腐蝕性的問題，本文介紹了一種激光熔覆長效防護技術,從成形技術、工藝路線、材料選擇、試驗驗證等幾方面進行分析和論證。結果表明，應用激光熔覆技術處理導彈吊掛，工藝可控，而且顯著增強了吊掛的耐磨性能和耐腐蝕性能，提高了使用安全性，激光熔覆技術可作為導彈吊掛的長效防護方法。