Al2O3陶瓷粉末在飛機結構件修理中的應用前景探討

邵春宇，張學謙，劉繩武

（1.國營蕪湖機械廠，蕪湖241000；2.山東理工大學，淄博255000）

1 引言

隨著鋁合金整體制造水平的提高，其在飛機結構中的應用范圍不斷擴大，特別是近幾年來的飛機結構件，使用了大量的鋁合金，用量較多的鋁合金主要為7B04、2B06和2D70等。鋁合金結構件在使用的過程中，因其所處的環境十分嚴酷，同時還承受交變或沖擊載荷，常會出現磨損、腐蝕和裂紋等故障，所以研究如何利用新技術快速高效修復結構件故障的需求十分迫切。各類噴涂技術在飛機結構件故障修理過程中已展現出其獨特的優勢，而Al2O3陶瓷粉末因其優良的性能和特點，作為原材料已廣泛的應用在各類噴涂修復技術中，用于修復典型的飛機故障件［1，2］。未來關于高質量的氧化鋁粉末的制造和應用方面的研究意義重大。

2 Al2O3陶瓷粉末的制造和性能特點

2.1 Al2O 3陶瓷粉末的性能特點

氧化鋁的熔點高，為2200℃左右。氧化鋁粉末材料具有儲量豐富、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損及高溫抗氧化性等優點。氧化鋁粉末廣泛應用在冷噴涂、熱噴涂等技術領域，這些技術在航空航天、機械制造、化學化工等領域有著廣闊的應用前景［3］。

2.2 Al2O3陶瓷粉末制造工藝

國內外的氧化鋁制造工藝［4］幾乎都是用堿法生產的，分拜爾法、燒結法和拜爾-燒結法，其中以拜爾法為主。

（1）拜爾法適用于鋁硅比高的鋁土礦，優點是流程簡單、投資省和能耗低。

（2）堿石灰燒結法適用于處理鋁硅比低的鋁土礦。

（3）拜爾-燒結聯合法以拜爾法為主，輔以燒結法，分為串聯法、并聯法和混聯法，可充分發揮兩種方法的優點，適用于較低鋁硅比的鋁土礦。

3 常見的結構故障模式和特點

鋁合金結構件在使用過程中產生的損傷主要包括：交變載荷引起的疲勞裂紋損傷，使用環境所造成的腐蝕損傷，以及結構設計不合理、制造工藝粗糙而產生的磨損超差等損傷。

3.1 腐蝕

腐蝕是構件在使用環境下隨著日歷時間的推移而發生的環境損傷，它是化學反應和電化學反應造成的材料變質或損耗，對金屬材料稱為腐蝕（見圖1）。

圖1 腐蝕故障

3.2 磨損

結構設計不合理或制造工藝粗糙往往會導致結構件磨損等故障，此類故障（見圖2）的修復一般采用換新處理。換新處理需要重新制造零件并重新安裝，修理周期無法保證。

圖2 結構孔磨損故障

3.3 裂紋

鋁合金結構件在服役過程中，會因承受變動載荷而產生裂紋；除此之外，在應力和腐蝕環境的共同作用下也會產生裂紋。裂紋是飛機鋁合金結構件最常發生的故障，某些典型部位裂紋用常規加強修復方法較難操作，因此研究飛機鋁合金結構件裂紋快速修復新技術極具實用價值。

4 常用的Al2O3陶瓷粉末修復飛機結構故障技術

Al2O3陶瓷粉末修復結構故障技術主要依托各類噴涂技術。噴涂技術（表面處理）可在普通材料上，制造一個特殊的工作表面，使其具備防腐蝕、耐磨、隔熱、導電、抗氧化、防微波輻射和絕緣等多種功能。常用的主要包括冷噴涂、熱噴涂等技術，這些技術在某些飛機零件修復中具有獨特的優勢。

4.1 冷噴涂Al2O3陶瓷粉末修復飛機結構件故障

冷噴涂技術是指金屬粒子未發生融化，而是通過壓縮空氣將其加速到臨界速度以上，通過發生形變直接沉積到基體表面形成涂層的技術。據報道，美國現役11艘航母上均配備攜帶冷噴涂設備的移動平臺，實時保障航母及艦上裝備戰時修復需要。可見，冷噴涂技術在裝備修理方面應用前景十分廣闊。冷噴涂常用的噴涂粉末有鋁和Al2O3粉末的混合粉末、純鋁粉末、通用的鎳基混合粉末（包括鎳和氧化鋁）等。

鋁和Al2O3粉末的混合粉末冷噴涂修理飛機零件時，可快速的沉積。修復后零件和涂層間具有較好的結合力（大于35 MPa），硬度在46 HB以上，并且具有較好的切削加工性能。可以用于鋼、鋁、鎂及其合金等多種零件的修復，修復試驗件見圖3。

圖3 修復試驗件

為了提高涂層結合強度或者使其具有更好的防腐蝕性能，相關研究單位還設計出多種全新的鋁和Al2O3的混合粉末，這類粉末可以用于特殊環境或某種功能需要下的零件修復。例如海洋環境或駐島部隊裝備腐蝕情況比較嚴重，這時則需要具有更好的防腐蝕性能的鋁和Al2O3的混合粉末。

4.2 熱噴涂Al2O3陶瓷粉末修復飛機結構件故障

熱噴涂主要是利用火焰、電弧、等離子體等熱源將噴涂材料加熱到熔融或半熔狀態，并加速使粒子碰撞到基體上形成涂層的技術［5］。

與其它表面處理工藝相比，熱噴涂技術的可噴涂材料更加廣泛。針對鋁合金硬度低、耐磨性差、受損時失效快等缺點，熱噴涂的高抗磨性正好可以彌補它的這些缺點。熱噴涂層中所含的氧化物（Al2O3陶瓷粉末等）、氮化物等第二相粒子均可以增加涂層硬度，提高耐磨性，而涂層孔隙尚能保持一層潤滑膜，還能容納因磨損所產生的碎屑，從而使接觸面積保持清潔，起到減磨作用［6］。

利用高能量激光器在鋁合金表面進行熔覆處理是近幾年發展起來的一種表面改性技術，通過激光處理，可以提高其耐磨性、耐蝕性和耐熱性。激光處理通常有兩種方法：一種是對預涂覆的涂層進行激光重熔處理；另一種是直接送粉熔覆。由于鋁對紅外激光的高反射率，直接送粉進行激光熔覆是極為困難的，清華大學李言祥等曾研究激光熔覆陶瓷層的機理和工藝條件［7］，實現了鋁基體首先等離子噴涂復合陶瓷涂層，然后激光二次熔覆氧化鋁粉末［8］。該技術在修復飛機易磨損鋁合金結構件中（如活動舵面的螺栓孔和結構件對接區域等）具有廣闊的應用前景。

4.3 其它技術

微弧氧化（Micro-Arc Oxidation，MAO）又稱等離子體氧化，該技術并不是直接利用Al2O3陶瓷粉末，而是在陽極氧化的基礎上，在金屬基表面原位生長陶瓷（Al2O3等）層的一種表面修復技術。其耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫沖擊性等性能均優于陽極氧化膜［9］，該技術在飛機發動機附近部位結構件的磨損修復方面具有廣闊的應用前景［10］。

5 Al2O3陶瓷粉末在飛機結構件修理中的應用展望

綜合Al2O3陶瓷粉末在飛機結構件，尤其是鋁合金結構件表面修復中的優勢，未來關于Al2O3陶瓷粉末的研究建議加大以下兩個課題的研究投入。

5.1 高質量的Al2O3陶瓷粉末制備技術研究

隨著科學技術的發展，熱噴涂技術對粉末顆粒度、純度及均勻性提出了更高的要求，對超細高純氧化鋁粉末的需求量也愈來愈大。而噴涂技術需要的粉末要求在1～50μm之間，且分散性小，粉末流動性好，嚴防受潮，建議使用冷噴涂專用粉末，而不要使用熱噴涂通用粉末。目前國產粉末性能仍然無法比擬進口粉末。因此，研究Al2O3陶瓷粉末在微米、亞微米和納米三種不同尺寸下探索其作為噴涂原料的不同修復效果，以及為滿足不同結構件的修復質量要求開展具體針對性研究，具有十分重要的意義。

5.2 進一步擴大Al2O3陶瓷粉末應用范圍的探究

氧化鋁陶瓷粉末一般與其它材料（金屬材料或陶瓷材料）組成混合粉末，用于修復鋼、鎂合金、銅等材質結構件。目前Al2O3陶瓷粉末修復飛機結構件的實際效果還有待于進一步驗證，需要廣大科研工作者和飛機修理工程師加大該領域的應用研究。