Al2O3陶瓷粉末在飞机结构件修理中的应用前景探讨

邵春宇，张学谦，刘绳武

（1.国营芜湖机械厂，芜湖241000；2.山东理工大学，淄博255000）

1 引言

随着铝合金整体制造水平的提高，其在飞机结构中的应用范围不断扩大，特别是近几年来的飞机结构件，使用了大量的铝合金，用量较多的铝合金主要为7B04、2B06和2D70等。铝合金结构件在使用的过程中，因其所处的环境十分严酷，同时还承受交变或冲击载荷，常会出现磨损、腐蚀和裂纹等故障，所以研究如何利用新技术快速高效修复结构件故障的需求十分迫切。各类喷涂技术在飞机结构件故障修理过程中已展现出其独特的优势，而Al2O3陶瓷粉末因其优良的性能和特点，作为原材料已广泛的应用在各类喷涂修复技术中，用于修复典型的飞机故障件［1，2］。未来关于高质量的氧化铝粉末的制造和应用方面的研究意义重大。

2 Al2O3陶瓷粉末的制造和性能特点

2.1 Al2O 3陶瓷粉末的性能特点

氧化铝的熔点高，为2200℃左右。氧化铝粉末材料具有储量丰富、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及高温抗氧化性等优点。氧化铝粉末广泛应用在冷喷涂、热喷涂等技术领域，这些技术在航空航天、机械制造、化学化工等领域有着广阔的应用前景［3］。

2.2 Al2O3陶瓷粉末制造工艺

国内外的氧化铝制造工艺［4］几乎都是用碱法生产的，分拜尔法、烧结法和拜尔-烧结法，其中以拜尔法为主。

（1）拜尔法适用于铝硅比高的铝土矿，优点是流程简单、投资省和能耗低。

（2）碱石灰烧结法适用于处理铝硅比低的铝土矿。

（3）拜尔-烧结联合法以拜尔法为主，辅以烧结法，分为串联法、并联法和混联法，可充分发挥两种方法的优点，适用于较低铝硅比的铝土矿。

3 常见的结构故障模式和特点

铝合金结构件在使用过程中产生的损伤主要包括：交变载荷引起的疲劳裂纹损伤，使用环境所造成的腐蚀损伤，以及结构设计不合理、制造工艺粗糙而产生的磨损超差等损伤。

3.1 腐蚀

腐蚀是构件在使用环境下随着日历时间的推移而发生的环境损伤，它是化学反应和电化学反应造成的材料变质或损耗，对金属材料称为腐蚀（见图1）。

图1 腐蚀故障

3.2 磨损

结构设计不合理或制造工艺粗糙往往会导致结构件磨损等故障，此类故障（见图2）的修复一般采用换新处理。换新处理需要重新制造零件并重新安装，修理周期无法保证。

图2 结构孔磨损故障

3.3 裂纹

铝合金结构件在服役过程中，会因承受变动载荷而产生裂纹；除此之外，在应力和腐蚀环境的共同作用下也会产生裂纹。裂纹是飞机铝合金结构件最常发生的故障，某些典型部位裂纹用常规加强修复方法较难操作，因此研究飞机铝合金结构件裂纹快速修复新技术极具实用价值。

4 常用的Al2O3陶瓷粉末修复飞机结构故障技术

Al2O3陶瓷粉末修复结构故障技术主要依托各类喷涂技术。喷涂技术（表面处理）可在普通材料上，制造一个特殊的工作表面，使其具备防腐蚀、耐磨、隔热、导电、抗氧化、防微波辐射和绝缘等多种功能。常用的主要包括冷喷涂、热喷涂等技术，这些技术在某些飞机零件修复中具有独特的优势。

4.1 冷喷涂Al2O3陶瓷粉末修复飞机结构件故障

冷喷涂技术是指金属粒子未发生融化，而是通过压缩空气将其加速到临界速度以上，通过发生形变直接沉积到基体表面形成涂层的技术。据报道，美国现役11艘航母上均配备携带冷喷涂设备的移动平台，实时保障航母及舰上装备战时修复需要。可见，冷喷涂技术在装备修理方面应用前景十分广阔。冷喷涂常用的喷涂粉末有铝和Al2O3粉末的混合粉末、纯铝粉末、通用的镍基混合粉末（包括镍和氧化铝）等。

铝和Al2O3粉末的混合粉末冷喷涂修理飞机零件时，可快速的沉积。修复后零件和涂层间具有较好的结合力（大于35 MPa），硬度在46 HB以上，并且具有较好的切削加工性能。可以用于钢、铝、镁及其合金等多种零件的修复，修复试验件见图3。

图3 修复试验件

为了提高涂层结合强度或者使其具有更好的防腐蚀性能，相关研究单位还设计出多种全新的铝和Al2O3的混合粉末，这类粉末可以用于特殊环境或某种功能需要下的零件修复。例如海洋环境或驻岛部队装备腐蚀情况比较严重，这时则需要具有更好的防腐蚀性能的铝和Al2O3的混合粉末。

4.2 热喷涂Al2O3陶瓷粉末修复飞机结构件故障

热喷涂主要是利用火焰、电弧、等离子体等热源将喷涂材料加热到熔融或半熔状态，并加速使粒子碰撞到基体上形成涂层的技术［5］。

与其它表面处理工艺相比，热喷涂技术的可喷涂材料更加广泛。针对铝合金硬度低、耐磨性差、受损时失效快等缺点，热喷涂的高抗磨性正好可以弥补它的这些缺点。热喷涂层中所含的氧化物（Al2O3陶瓷粉末等）、氮化物等第二相粒子均可以增加涂层硬度，提高耐磨性，而涂层孔隙尚能保持一层润滑膜，还能容纳因磨损所产生的碎屑，从而使接触面积保持清洁，起到减磨作用［6］。

利用高能量激光器在铝合金表面进行熔覆处理是近几年发展起来的一种表面改性技术，通过激光处理，可以提高其耐磨性、耐蚀性和耐热性。激光处理通常有两种方法：一种是对预涂覆的涂层进行激光重熔处理；另一种是直接送粉熔覆。由于铝对红外激光的高反射率，直接送粉进行激光熔覆是极为困难的，清华大学李言祥等曾研究激光熔覆陶瓷层的机理和工艺条件［7］，实现了铝基体首先等离子喷涂复合陶瓷涂层，然后激光二次熔覆氧化铝粉末［8］。该技术在修复飞机易磨损铝合金结构件中（如活动舵面的螺栓孔和结构件对接区域等）具有广阔的应用前景。

4.3 其它技术

微弧氧化（Micro-Arc Oxidation，MAO）又称等离子体氧化，该技术并不是直接利用Al2O3陶瓷粉末，而是在阳极氧化的基础上，在金属基表面原位生长陶瓷（Al2O3等）层的一种表面修复技术。其耐磨性、耐腐蚀性、耐高温冲击性等性能均优于阳极氧化膜［9］，该技术在飞机发动机附近部位结构件的磨损修复方面具有广阔的应用前景［10］。

5 Al2O3陶瓷粉末在飞机结构件修理中的应用展望

综合Al2O3陶瓷粉末在飞机结构件，尤其是铝合金结构件表面修复中的优势，未来关于Al2O3陶瓷粉末的研究建议加大以下两个课题的研究投入。

5.1 高质量的Al2O3陶瓷粉末制备技术研究

随着科学技术的发展，热喷涂技术对粉末颗粒度、纯度及均匀性提出了更高的要求，对超细高纯氧化铝粉末的需求量也愈来愈大。而喷涂技术需要的粉末要求在1～50μm之间，且分散性小，粉末流动性好，严防受潮，建议使用冷喷涂专用粉末，而不要使用热喷涂通用粉末。目前国产粉末性能仍然无法比拟进口粉末。因此，研究Al2O3陶瓷粉末在微米、亚微米和纳米三种不同尺寸下探索其作为喷涂原料的不同修复效果，以及为满足不同结构件的修复质量要求开展具体针对性研究，具有十分重要的意义。

5.2 进一步扩大Al2O3陶瓷粉末应用范围的探究

氧化铝陶瓷粉末一般与其它材料（金属材料或陶瓷材料）组成混合粉末，用于修复钢、镁合金、铜等材质结构件。目前Al2O3陶瓷粉末修复飞机结构件的实际效果还有待于进一步验证，需要广大科研工作者和飞机修理工程师加大该领域的应用研究。