鋁合金微弧陽(yáng)極化及加工技術(shù)

摘要：航空發(fā)動(dòng)機(jī)從頭部到尾部共有三級(jí)作動(dòng)筒，分別控制著低壓、高壓壓氣機(jī)的葉片角度和尾噴口部位加力噴口大小。為了減輕重量，前面兩級(jí)作動(dòng)筒都是鋁合金材質(zhì)，以往的硫酸陽(yáng)極化已經(jīng)不能滿足惡劣環(huán)境的防腐要求，急需有新技術(shù)和新工藝來(lái)解決上述問(wèn)題，微弧陽(yáng)極化的出現(xiàn)解決了上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：鋁合金；防腐； 微弧陽(yáng)極化 ； 珩磨； 加工

中圖分類號(hào)：TG174.453 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，鋁合金、鎂合金的材料特性越來(lái)越受到關(guān)注。但由于鋁合金、鎂合金自身在耐腐蝕性、耐磨性等性能上存在不足，極大地限制了這類材料的應(yīng)用領(lǐng)域。鋁合金現(xiàn)行工藝采用普通硫酸陽(yáng)極化和局部硬質(zhì)陽(yáng)極化處理，這種防護(hù)方法雖然可一定程度上提高了基體的耐腐蝕性和耐磨性，但對(duì)于一些工作環(huán)境特殊的典型零件，如整流帽罩、作動(dòng)筒筒體等，不僅要求具有較高的耐腐蝕性，而且要求具有較高的耐磨性和抗沖刷性能。因此研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的表面防護(hù)處理技術(shù)，提高鋁合金、鎂合金在復(fù)雜環(huán)境的“三防”（防鹽霧、防濕熱、防霉菌）能力是我們?cè)谙冗M(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中亟待解決的課題。采用微弧陽(yáng)極化防護(hù)技術(shù)，使鋁合金、鎂合金材料的耐鹽霧腐蝕、耐濕熱腐蝕、耐霉菌腐蝕、耐磨等性能均得到了顯著提高，從而達(dá)到了某型號(hào)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 微弧陽(yáng)極化原理

微弧陽(yáng)極化技術(shù)是在陽(yáng)極氧化技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它突破了傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化電流、電壓的限制，在高電壓大電流的作用下，改變了普通陽(yáng)極化膜層的物理、化學(xué)和機(jī)械特性，使鋁合金、鎂合金表面膜層的耐腐蝕、耐高溫氧化、耐磨損、絕緣等綜合性能得到了顯著提高。微弧氧化的具體過(guò)程可以描述如下：Al合金、Mg合金材料零件作為陽(yáng)極放入電解質(zhì)溶液中，通電后立即在金屬表面陽(yáng)極氧化生成很薄的氧化物絕緣膜，當(dāng)工件上施加的電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)，即施加在電極上的工作電壓達(dá)到火花放電區(qū)后，絕緣膜上某些薄弱的部位產(chǎn)生放電擊穿，發(fā)生微弧放電現(xiàn)象，在微弧火花放電瞬間高溫的作用下，微弧放電區(qū)域內(nèi)氧化物發(fā)生瞬間熔化，當(dāng)熔融態(tài)的反應(yīng)產(chǎn)物接觸到溶液時(shí)立即被冷卻并快速凝結(jié)成穩(wěn)定的固態(tài)氧化物沉積于電極表面，并與基體形成冶金結(jié)合的陶瓷性微弧氧化膜，恢復(fù)該局部區(qū)域的絕緣性；由于在冷凝過(guò)程中，膜層內(nèi)存在較高的熱應(yīng)力，使微弧氧化膜中產(chǎn)生微裂紋，即出現(xiàn)新的容易被火花放電擊穿的薄弱點(diǎn)。這一過(guò)程周而復(fù)始，使得氧化膜不斷生長(zhǎng)并增厚。同時(shí)由于擊穿總是在氧化膜相對(duì)薄弱部位發(fā)生，因此最終形成的氧化膜是均勻的。由此可見(jiàn)，微弧氧化過(guò)程是個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。

1.1 微弧陽(yáng)極化技術(shù)工藝特點(diǎn)

1.1.1 大幅度地提高了材料的表面硬度， 顯微硬度在1000至2000HV（維氏硬度），最高可達(dá)3000HV，可與硬質(zhì)合金相媲美，大大超過(guò)熱處理后的高碳鋼，高合金鋼和高速工具鋼的硬度。

1.1.2 良好的耐磨性能、良好的耐熱性及抗腐蝕性。這從根本上克服了鋁、鎂、鈦合金材料在應(yīng)用中的缺點(diǎn)。

1.1.3 有良好的絕緣性能， 絕緣電阻可達(dá)100mω。

1.1.4 溶液為環(huán)保型，可達(dá)到零排放標(biāo)準(zhǔn)，符合環(huán)保排放要求。

1.1.5 工藝穩(wěn)定可靠，設(shè)備工藝簡(jiǎn)單。

1.1.6 反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，操作方便，易于掌握。

1.1.7 基體原位生長(zhǎng)陶瓷膜，致密均勻，結(jié)合牢固，與基體結(jié)合力達(dá)250～300Mpa。

1.2 與陽(yáng)極氧化相比，微弧陽(yáng)極化具有下列特點(diǎn)

1.2.1 微弧陽(yáng)極化采用弱堿性溶液，對(duì)周?chē)h(huán)境不造成污染，屬于清潔加工工藝和環(huán)保型表面處理技術(shù)，微弧陽(yáng)極化中只放出氫氣、氧氣，對(duì)人體無(wú)害；

1.2.2 工藝簡(jiǎn)單，特別對(duì)于工業(yè)樣品的預(yù)處理不像陽(yáng)極氧化要求的那樣嚴(yán)格和繁雜，只要求樣品表面去污去油，不需要去除表面的自然氧化層，也不需要表面打磨。

1.2.3 微弧陽(yáng)極化可以一次完成，也可以分幾次完成。特別對(duì)于氧化膜要求很厚的樣品可以分幾次氧化，而陽(yáng)極氧化一旦中斷就必須重新開(kāi)始。

1.2.4 在陽(yáng)極氧化不易成膜的某些鋁合金如Al-Cu、Al-Si等合金表面，同樣可獲得性能很好的厚膜，尤其在Al-Cu合金表面（如LY12合金），可以形成高硬度的厚膜，HV可達(dá)到1600以上。

該技術(shù)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的金屬材料表面改性技術(shù)，特別適用于高速旋轉(zhuǎn)、耐磨損、耐腐蝕、絕緣性好的鋁、鎂、鈦合金零部件的表面處理。在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面以及航空航天、兵器制造石油化工等行業(yè)中有著及其廣泛的應(yīng)用前景。

2 膜層生長(zhǎng)規(guī)律

通過(guò)某型發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)筒做微弧陽(yáng)極化試驗(yàn)摸索出膜層生長(zhǎng)規(guī)律，從而控制微弧陽(yáng)極化后零件的尺寸加工余量?？紤]到測(cè)量誤差，膜層平均向外生長(zhǎng)要比向內(nèi)生長(zhǎng)小一些。

3 微弧陽(yáng)極化之后零件的加工

做完微弧陽(yáng)極化之后的零件硬度較高，并且脆性較大，加工的時(shí)候只能采用磨削加工。磨削加工有兩種方法，一種是在內(nèi)圓磨床上加工后再用羊毛氈輪輔助加以研磨膏拋光；另一種是在珩磨機(jī)上珩磨。一般要求作動(dòng)筒內(nèi)孔表面的粗糙度為Ra0.20μm，通過(guò)實(shí)踐證明，珩磨的效果是最好的。下面簡(jiǎn)要的分析一下這兩種加工方法的孰優(yōu)孰劣。

3.1 內(nèi)圓磨床加工

在內(nèi)圓磨床上對(duì)零件進(jìn)行裝夾固定，找正零件后就可以進(jìn)行加工，加工過(guò)程中對(duì)零件的冷卻沒(méi)有特殊的要求，只需要正常的冷卻即可。這種方法可以消除零件因?yàn)樽鐾晡⒒￡?yáng)極化之后帶來(lái)的內(nèi)孔增加尺寸不一致帶來(lái)的橢圓度，完全可以修正過(guò)來(lái)。

磨削完內(nèi)孔的零件可以在改造過(guò)的內(nèi)圓磨床上用研磨膏拋光，拋光后的零件在潔凈的汽油中清洗干凈，該零件即宣告加工完成。

3.2 珩磨加工

在立式珩磨機(jī)上用珩磨頭加工，油石條采用金剛石材質(zhì)。冷卻潤(rùn)滑采用航空煤油，通過(guò)反復(fù)加工，加工表面的粗糙度很好，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以達(dá)到Ra0.20μm的粗糙度。該種方法加工可以有很高的加工效率，很高的表面加工質(zhì)量。適用于有珩磨機(jī)的加工企業(yè)。

對(duì)于條件不具備或者條件不成熟的加工企業(yè)可以采用第一種方法加工，但是效率較為低下。為了保證零件內(nèi)孔的圓柱度，最好是在內(nèi)圓磨床上加工保證零件內(nèi)孔的圓柱度，再通過(guò)珩磨機(jī)珩磨保證內(nèi)孔的粗糙度。

結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，鋁合金微弧陽(yáng)極化技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的應(yīng)用尚屬首次，由于零件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用環(huán)境的特殊性，還有些技術(shù)問(wèn)題和工藝方法尚待探索和進(jìn)一步改進(jìn)。比如，做完微弧陽(yáng)極化后的零件在周轉(zhuǎn)運(yùn)輸和加工過(guò)程中一定要小心輕拿輕放，最好有獨(dú)立的包裝箱對(duì)每一個(gè)零件進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)輸，因?yàn)樵谥苻D(zhuǎn)的過(guò)程中只要有輕微的磕、碰就會(huì)將表層的陽(yáng)極化層碰掉，脆性太大，表面一旦有損傷，就會(huì)喪失保護(hù)作用，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境來(lái)說(shuō)就會(huì)帶來(lái)不利的影響。在這方面還需要我們的技術(shù)人員繼續(xù)努力，逐步解決上述問(wèn)題。

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