1、长沙航空职业技术学院学报JOURNAL OF CHANGSHA AERONAUTICAL VOCATIONAL AND TECHNICAL COLLEGE第 23 卷第 1 期2023 年 3 月Vol.23 No.1Mar.2023-9-DOI:10.13829/ki.issn.1671-9654.2023.01.003飞机辅助进气门冷喷涂再制造修复技术研究董丽斌，代雪婷，南健（国营芜湖机械厂，安徽芜湖241000）摘要：采用冷喷涂技术对飞机辅助进气门进行了再制造修复，运用金相观察、显微硬度检测、结合强度测试、耐蚀性能检测及着色渗透探伤检测等方法对再制造修复效果进行评估。结果表明，修复区域涂
2、层孔隙率仅为 0.32%，致密度高，且涂层界面夹杂物少，结合强度不低于 57 MPa，最高可达 65 MPa，与基体的结合性能优异。添加氧化铝颗粒的涂层显微硬度可达 104.8 HV0.05，耐磨性能与基体相近，有效防止了修复后的二次磨损。研究结果表明，飞机辅助进气门再制造修复效果达到设计要求，修复效果良好。关键字：辅助进气门；再制造修复；冷喷涂；铝合金中图分类号：V267文献标识码：A文章编号：1671-9654(2023)01-0009-04Research on Cold Spraying Remanufacturing Repair Technology of Aircraft Aux
3、iliary Inlet ValveDONG Li-bin,DAI Xue-ting,NAN Jian(State-owned Wuhu Machinery Factory,Wuhu Anhui 241000)Abstract:In this work,cold spraying technology is used to complete the remanufacture of the aircraft auxiliary inlet valve,and the effect of repair is evaluated by means of metallography observat
4、ion,microhardness testing,bonding strength testing,corrosion resistance testing and dye penetrant inspection.The results show that the porosity of coating in the repair area is only 0.32%,which means the density of coating is high.The coating interface only have few inclusions,the bonding strength i
5、s not less than 57MPa and up to 65MPa,which proves the bonding performance of coating with the matrix is excellent.Further,the microhardness of the coating by adding alumina particles can reach 104.8HV0.05.The wear resistance is similar to that of the matrix,which effectively prevents the secondary
6、wear after repair.The comprehensive research results show that the remanufacturing repair effect of the aircraft auxiliary inlet valve meets the design requirements and the repair effect is good.Key words:auxiliary inlet valve;remanufacturing repair;cold spraying;aluminium alloy收稿日期：2022-06-26作者简介：董
7、丽斌（1993），男，陕西商洛人，工程师，研究方向为航空器结构损伤研究及修复。歼强机为保证发动机在运行过程中获得充足的助燃气体，通常在飞机的左右两侧或下方设计进气道，但当飞机慢速飞行或处于地面时，飞机空速低，发动机无法从进气道获得充足的助燃气体。因此，在飞机进气道底部设计了内开式单门辅助进气门，以保证低速状态下的进气量。同时，减小气流在进气道口附近的拐折，避免进口气流的分离，提高了进气道性能。当飞机速度低于一定值时，辅助进气门自动打开，增大单位时间进气量；速度超过一定值时，辅助进气门自动关闭，以保证飞机飞行的气动外形。图 1 为飞机辅助进气门三维图，该零件依靠飞机上的横杆和辅助进气门的接耳相配
8、合，安装在飞机上，由于该零件工作时振动较大，维修过程中发现，-10-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷辅助进气门接耳根部尖角处出现大量的微裂纹，如图 2 所示。该类故障发生率极高，且根据修理技术要求，一般当裂纹深度超过 1 mm 时，该零件需报废。此外，单片辅助进气门的尺寸较大，总长度大于 700 mm，单片辅助进气门上的接耳数量在 20个以上，整体机械加工制造难度较大，且成本较高。图 2 飞机辅助进气门裂纹为修复此类故障，常采用电弧焊1、激光熔覆2，3等局部修复方式，但此类修复方式的局限性较大，铝合金零件的可焊性极差，且焊接后极易产生热裂纹和变形，焊接效果极差46，影响零件修复效果。冷喷涂
9、技术又称冷空气动力学喷涂，金属颗粒在较低的温度下，利用高速气流获得足够的动能，并与基体发生塑性碰撞，从而产生较大的塑性变形而沉积于基体表面，实现涂层的沉积7。该技术具有工作温度低、修复部位无热影响区、修复后零件无变形的优势，可用于温度敏感材料的再制造修复8，9。本文以辅助进气门为研究对象，基于冷喷涂再制造修复技术，实现零件裂纹区域修复，并借助金相观察、显微硬度测试、结合强度校核、耐蚀性能检测、着色渗透探伤检测等手段，验证飞机辅助进气门的再制造修复效果。1 实验方法1.1 实验材料由于纯铝粉末制备的涂层硬度较低，因此本次实验在球形纯铝粉末中机械混入氧化铝粉末，以增强涂层硬度，粉末粒径在 545
10、m 之间，粉末的微观形貌见图3，化学成分见表1，粒径分布见图 4 和表 2。采用 Centerline 公司的SST-PX 型低压冷喷涂设备进行飞机辅助进气门的修复，同时，以相同的修复工艺制备金相和结合强度检测样件，以验证再制造修复性能。（a）纯铝粉末 （b）氧化铝粉末图 3 微观形貌表 1 铝加氧化铝粉末化学成分单位：wt.%粉末名称化学成分AlSiCuFe铝加氧化铝余量 1 0.2 1图 4 粉末粒径分布图表 2 粉末粒径分布表D10D50D90粒径/m21.1035.1556.751.2 再制造修复采用机械加工的方法，打磨辅助进气门接耳处的裂纹，并着色渗透探伤确认，以保证裂纹完全修复。使
11、用耐高温防护胶带将待修复区域周围完全防护，并用丙酮彻底清洗待修复区域，以去除油脂、粉尘等外来污染物。随后，喷砂粗化表面，使其表面粗糙度 Ra 达到 68 m，以便于涂层沉积后具有良好的结合性能。采用 SST-PX 型低压冷喷涂设备完成损伤部位的涂层沉积，涂层喷涂工艺见表 3。随后，机械加工恢复损伤部位原有外形尺寸，再采用阿洛丁溶液进行防腐处理，完成辅助进气门再制造修复。最后，依据美国国防部 MIL-STD-3021材图 1 飞机辅助进气门三维图-11-董丽斌，等：飞机辅助进气门冷喷涂再制造修复技术研究第 1 期料沉积，冷喷涂标准，采用相同的工艺参数制备一组金相、结合强度和耐蚀试样，以验证涂层性
12、能。表 3 涂层喷涂工艺参数表工艺参数数值喷涂压力150190 psi气体加热温度325400 送粉率1525 g喷涂距离1535 mm工艺气体高纯氮气1.3 修复性能评估采用 Struers 公司 Secotom-60 高速精密切割机、CitoVac 真空冷镶嵌机、Tegramin-30自动磨抛机制备涂层金相，并使用 Zeiss 公司的 Axio Observer 3m 倒置金相显微镜、EVO18 扫描电子显微镜及配套的专业金相分析软件对涂层孔隙率、界面夹杂率进行分析，使用 Buehler 公司的 VH3100 型显微维式硬度计测量涂层显微硬度。使用美特斯公司的 CMT5305 型万能试验机
13、进行涂层结合强度测试。采用 Zahner 公司 Zennium E 型电化学工作站对铝合金阳极氧化层和阿洛丁防腐蚀层的电化学腐蚀行为进行测试。采用 JY-YW-250 型盐雾试验机对铝合金阳极氧化层和阿洛丁防腐蚀层的耐盐雾腐蚀性能进行测试。最后，采用着色探伤对辅助进气门修复效果进行评估。2 实验结果及分析2.1 金相组织及显微硬度检测图 5 为铝加氧化铝涂层的金相组织和扫描电镜图片，由图 5(a)可知，涂层界面夹杂情况良好，界面夹杂率为 5%，涂层与基体结合良好。同时，由于氧化铝粉末在金相显微镜下呈现黑色，与孔隙色域相同，故采用扫描电镜观察涂层组织，由图 5(b)可知，氧化铝因导电性差，在扫描
14、电镜下呈现灰白色，可与孔隙清晰区分，经专业金相分析软件分析计算，涂层孔隙率为0.32%，孔隙率极低，涂层组织致密。(a)(b)(a)金相图片 (b)扫描电镜图片图 5 铝加氧化铝涂层表4为铝加氧化铝涂层的显微硬度测量结果，测量采用50 g质量产生的压力，保压10 s，每隔1 mm 测量一个点，连续测量10个数值并取平均值。计算得到涂层显微硬度为104.8 HV0.05，与纯铝涂层相比，硬度有明显提升，可更有效地防止磨损。表 4 铝加氧化铝涂层显微硬度项目实测值平均值12345678910显微硬度/HV0.05116.998.5110.992.5105.994.0117.0100.1115.69
15、6.9104.82.2 结合强度性能检测图 6 为铝加氧化铝涂层结合强度测试后断面形貌，由图可知，涂层断面整齐，证明涂层组织均匀且断裂强度即为涂层结合强度。表 5 为铝加氧化铝涂层的结合强度检测结果，使用 FM1000胶片在 180 温度和 300 N 压力下完成结合强度试样的粘接，测量三组样品的结合强度，测试得到涂层结合强度不低于 57 MPa，证明涂层与基体结合较好，保证零件工作中，涂层不发生脱落。表 5 铝加氧化铝涂层结合强度检测结果项目123结合强度/MPa6465572.3 耐蚀性能检测表 6 为铝合金基体硫酸阳极氧化层和涂层阿洛丁防腐蚀层的电化学腐蚀试验参数表。从表中数据可以看出，
16、涂层阿洛丁防腐蚀层的自腐蚀电位高于铝合金基体硫酸阳极氧化层，证明硫酸阳极氧化层的腐蚀倾向性更大，涂层阿洛丁防腐蚀层的耐蚀性更佳。但由于涂层阿洛丁防腐蚀层的自腐蚀电流高于镀 Cr 层，且涂层阿洛丁防腐蚀层的 Tafel 斜率高于基体硫酸阳极氧化层，说明开始图 6 结合强度试样断裂面-12-长沙航空职业技术学院学报第 23 卷腐蚀后，涂层阿洛丁防腐蚀层的腐蚀速度更快。表 6 铝合金阳极氧化层和阿洛丁防腐蚀层的电化学腐蚀试验参数表项目自腐蚀电位Ecorr/mV自腐蚀电流密度Icorr/(Acm-2）阳极氧化层-0.854-3.23110-12阿洛丁防腐蚀层-0.588-1.1510-11为进一步确认阿洛丁防腐蚀层的耐蚀性能，按照 HB5362-86飞机常用金属防护层耐蚀性质量检验的要求，采用 5%的 NaCl 溶液开展 336 h 的中性盐雾试验，对比试验前后阿洛丁防腐蚀层与硫酸阳极氧化层情况（见图 7），发现阿洛丁防腐蚀层虽发白，颜色比硫酸阳极氧化层浅，但其表面未出现任何腐蚀产物，满足硫酸阳极氧化层的耐蚀性要求，证明阿洛丁防腐蚀层的耐蚀性能不劣于原基体硫酸阳极氧化层，可用于铝合金零件再制造
