李成龍*,辛洪弋,張玥,張起富
大連長(zhǎng)豐實(shí)業(yè)總公司,遼寧 大連 116038
電刷鍍技術(shù)具有操作方便、靈活,以及不受場(chǎng)地和設(shè)備限制的優(yōu)點(diǎn),可解決深孔、凹槽在普通電鍍時(shí)難以沉積鍍層的問(wèn)題,適用于不易下槽和形狀復(fù)雜的產(chǎn)品,已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、船舶、鐵路等領(lǐng)域[1]。此外,電刷鍍還可用來(lái)修復(fù)零件表面劃傷,在難拆卸或拆卸時(shí)易損壞或拆卸費(fèi)用較高的零件表面修復(fù)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維修方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。然而電刷鍍并非批量生產(chǎn)的主要工藝,在航空制造業(yè)中的應(yīng)用也不多,針對(duì)其在飛機(jī)零部件修復(fù)方面的研究報(bào)道和應(yīng)用案例更少。本文主要針對(duì)刷鍍鎳和刷鍍鎘在飛機(jī)故障修理中應(yīng)用時(shí)遇到的問(wèn)題展開(kāi)討論。
刷鍍鎳一般用于飛機(jī)不銹鋼導(dǎo)管釬焊前處理,以改善釬焊性能。對(duì)飛機(jī)軸類(lèi)零件刷鍍鎳不僅有利于尺寸配合,還具有耐磨和耐蝕的作用。在航空工業(yè)領(lǐng)域,刷鍍鎳曾應(yīng)用在飛機(jī)平尾大軸軸孔、無(wú)法拆卸的氧氣系統(tǒng)零件鎳層刷補(bǔ)、起落架部附件非受力位置刷補(bǔ)等個(gè)別工序上[2]。本次主要研究機(jī)上導(dǎo)管釬焊前刷鍍鎳。
刷鍍鎘可用于飛機(jī)高強(qiáng)度鋼零件的防護(hù),適用于修復(fù)損壞的鎘鈦層或其他低氫脆的鎘鍍層。該技術(shù)使用低氫脆的刷鍍液,且修復(fù)面積較小,鍍后無(wú)需進(jìn)行除氫處理[3-4]。由于作業(yè)環(huán)境惡劣,飛機(jī)在服役過(guò)程中部分300M 超高強(qiáng)度鋼(16Co14Ni10Cr2Mo)零件表面的鎘-鈦合金鍍層難免會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕。如國(guó)產(chǎn)某型三代機(jī)在進(jìn)行第一次大修時(shí),300M 鋼起落架凹槽、凹坑等部位在去除表面漆層后發(fā)現(xiàn)大量腐蝕區(qū)域,這些腐蝕區(qū)域的鍍層都要進(jìn)行修復(fù)。本次主要針對(duì)某型飛機(jī)300M 鋼起落架活塞桿的鎘-鈦合金層脫落進(jìn)行刷鍍修復(fù)。
某型飛機(jī)的一根1Cr18Ni9Ti 不銹鋼液壓導(dǎo)管出現(xiàn)裂紋漏油故障(如圖1 所示),由于無(wú)法拆卸,計(jì)劃采用局部截?cái)唷⑼鈭?chǎng)機(jī)上釬焊的方式進(jìn)行搶修。釬焊前需對(duì)機(jī)上自管口起50 mm 位置刷鍍鎳6 ~ 12 μm,與之相配合的套管(連接管)和另一段導(dǎo)管在工廠內(nèi)電鍍,三者同時(shí)在機(jī)上釬焊。本次主要針對(duì)機(jī)上導(dǎo)管刷鍍鎳開(kāi)展模擬試驗(yàn)和技術(shù)分析。由于機(jī)上刷鍍和焊接存在較多安全隱患及污染風(fēng)險(xiǎn),因此要做好施工前預(yù)案和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。
圖1 機(jī)上導(dǎo)管裂紋漏油故障Figure 1 Oil leakage at the crack area of an aircraft duct
圖2 為導(dǎo)管釬焊示意圖,兩側(cè)為直導(dǎo)管,中間為套管(連接管),三者組合裝配,進(jìn)行導(dǎo)管高頻感應(yīng)釬焊,I 和II 代表兩側(cè)導(dǎo)管插入套管的深度,控制在5 ~ 10 mm 范圍內(nèi)。作為焊接過(guò)程中釬焊焊料的助熔、流通介質(zhì),鎳鍍層的厚度、結(jié)合力等性能直接影響著釬焊效果。
圖2 機(jī)上導(dǎo)管釬焊示意圖Figure 2 Sketch showing the welding of aircraft duct
在車(chē)間進(jìn)行大修時(shí),導(dǎo)管和套管(連接管)鍍鎳前需進(jìn)行噴砂,以提高鍍層結(jié)合力,但在機(jī)上的導(dǎo)管無(wú)法進(jìn)行此項(xiàng)工序,并且由于使用刷鍍鎳代替?zhèn)鹘y(tǒng)電鍍鎳,因此需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)獲得適合導(dǎo)管電刷鍍的時(shí)間、電壓、鍍筆移動(dòng)速率和刷鍍接觸方式,以保證鍍層厚度、結(jié)合力等性能滿(mǎn)足要求。
1.2.1 機(jī)上導(dǎo)管對(duì)鍍鎳層的性能要求和檢測(cè)方法
1) 外觀:鍍層應(yīng)平整、細(xì)致,為略帶淺黃的銀白色,允許稍暗。在天然散射光線或無(wú)反射光的白色透射光下目視檢驗(yàn),光照度不低于300 lx(相當(dāng)于距離40 W 日光燈500 mm 處的光照度),必要時(shí)可用3 ~ 5 倍放大鏡觀察。
2) 厚度:控制在6 ~ 12 μm 范圍內(nèi),略高于正常電鍍鎳的厚度上限,但符合使用要求。
3) 結(jié)合力:先對(duì)100 mm × 25 mm × 1 mm 的45 碳鋼試片電刷鍍鎳,進(jìn)行180°彎曲折斷后,斷口處無(wú)鍍層脫落現(xiàn)象表示結(jié)合力合格。
4) 耐蝕性:能夠通過(guò)48 h 中性鹽霧試驗(yàn)。
1.2.2 刷鍍鎳試驗(yàn)步驟
1) 取外徑10 mm、長(zhǎng)100 mm 的1Cr18Ni9Ti 導(dǎo)管為基體,模擬機(jī)上導(dǎo)管的實(shí)際位置進(jìn)行電刷鍍鎳,在地面模擬機(jī)艙內(nèi)的防護(hù)和安全保障。
2) 試驗(yàn)時(shí)通過(guò)砂紙打磨和無(wú)水乙醇清洗對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行前處理,再依次電凈、活化、電刷鍍特殊鎳及電刷鍍快速鎳,之后與廠內(nèi)正常工藝生產(chǎn)的鎳鍍層進(jìn)行性能對(duì)比,驗(yàn)證可行性。
3) 采用含油污的機(jī)上導(dǎo)管進(jìn)行電刷鍍鎳模擬試驗(yàn),通過(guò)釬焊?jìng)?cè)面檢測(cè)鍍鎳層的性能,驗(yàn)證導(dǎo)管刷鍍工藝參數(shù)的合理性,并確定刷鍍時(shí)間。
4) 釬焊后利用X 射線探傷法觀察焊料和鎳層在高溫下是否均勻填滿(mǎn)套管與導(dǎo)管之間的縫隙。
在機(jī)上刷鍍前,模擬機(jī)上導(dǎo)管的刷鍍位置(即切斷位置)進(jìn)行刷鍍,以演示實(shí)際外場(chǎng)環(huán)境,如圖3 所示:將生產(chǎn)報(bào)廢塑料盒作為350 mm × 270 mm 的區(qū)域壁板,將其墊高到2 m 左右,模擬導(dǎo)管刷鍍部位距離下壁板48 mm,其左右兩側(cè)距離12 mm 和42 mm 處分別配備一支障礙導(dǎo)管,下方鋪設(shè)吸水脫脂棉。
圖3 機(jī)上導(dǎo)管地面模擬電刷鍍鎳試驗(yàn)Figure 3 Simulation test for electro-brush nickel plating of aircraft duct in laboratory
工藝流程為:除油→絕緣防護(hù)→打磨→清洗→二次除油→電凈→清洗→一次活化→清洗→二次活化→清洗→電刷鍍特殊鎳→清洗→電刷鍍快速鎳→清洗[5]。
1.3.1 除油
采用無(wú)水乙醇擦拭導(dǎo)管進(jìn)行除油。
1.3.2 絕緣防護(hù)
用干凈的橡膠塞封閉導(dǎo)管端口,用絕緣膠布對(duì)待鍍導(dǎo)管的非刷鍍部位和障礙導(dǎo)管進(jìn)行防護(hù),用塑料薄膜對(duì)導(dǎo)管刷鍍部位的底部(飛機(jī)的機(jī)身格框)進(jìn)行隔離,并用吸水材料進(jìn)行保護(hù)。實(shí)際的機(jī)上防護(hù)還要用1 m × 2 m 的塑料薄膜從鍍覆位置開(kāi)始鋪設(shè)到身體與飛機(jī)接觸的外表面,以防止刷鍍槽液滴落在飛機(jī)上。
1.3.3 打磨
采用120#、240#和600#砂紙逐級(jí)打磨待刷鍍表面,以去除氧化膜。打磨完畢,沖洗導(dǎo)管以去除打磨殘?jiān)?/p>
1.3.4 二次除油
采用無(wú)水乙醇擦拭待刷鍍表面,再用刷鍍電源的陰極夾子裝夾機(jī)上導(dǎo)管。
1.3.5 電凈
電凈液組成和工藝條件為:NaOH 25 ~ 30 g/L,Na2CO3·10H2O 22 ~ 30 g/L,Na3PO4·2H2O 50 ~ 80 g/L,NaCl 2.5 ~ 5.0 g/L,電源反接15 V,鍍筆移動(dòng)速率100 ~ 150 mm/s,溫度15 ~ 30 °C,時(shí)間30 ~ 60 s。電凈完沖洗導(dǎo)管,保證基體表面水膜30 s 連續(xù)。
1.3.6 活化
1) 一次活化液組成和工藝條件為:鹽酸(密度1.18 g/mL,后同)20 ~ 30 g/L,NaCl 130 ~ 140 g/L,電源反接10 V,鍍筆速率100 ~ 150 mm/s,溫度15 ~ 30 °C,時(shí)間10 ~ 60 s。一次活化后沖洗導(dǎo)管去除酸液。
2) 二次活化液組成和工藝條件為:硫酸(密度1.84 g/mL,后同)80 ~ 90 g/L,(NH4)2SO4100 ~ 120 g/L,電源反接12 V,鍍筆速率100 ~ 150 mm/s,溫度15 ~ 30 °C,時(shí)間10 ~ 20 s。二次活化后沖洗導(dǎo)管去除酸液。
1.3.7 電刷鍍特殊鎳
特殊鎳配方為:NiSO4·7H2O 390 ~ 400 g/L,NiCl2·6H2O 14 ~ 20 g/L,鹽酸20 ~ 22 mL/L,乙酸(37% CH3COOH,后同)68 ~ 70 mL/L。先用特殊鎳槽液沖洗導(dǎo)管,確保導(dǎo)管被完全潤(rùn)濕,再在不通電的情況下用特殊鎳溶液刷洗20 ~ 40 s,最后在正向通電15 V、鍍筆移動(dòng)速率100 ~ 150 mm/s、溫度15 ~ 30 °C 的條件下電刷鍍特殊鎳2 ~3 min,得到厚度為1 ~ 2 μm 的特殊鎳。
1.3.8 電刷鍍快速鎳
快速鎳配方為:NiSO4·7H2O 250 g/L,(NH4)3C6H5O756 g/L,CH3COONH423 g/L,(NH4)2C2O4·H2O 23 g/L,氨水(25% NH3·H2O,后同)100 mL/L。先用快速鎳槽液沖洗導(dǎo)管,確保導(dǎo)管被完全潤(rùn)濕,再在不通電的情況下用快速鎳溶液刷洗20 ~ 40 s,最后在正向通電12 ~ 14 V、鍍筆移動(dòng)速率100 ~ 150 mm/s、室溫的條件下電刷鍍快速鎳8 ~ 10 min。
按1.3 節(jié)對(duì)從原機(jī)拆下的導(dǎo)管進(jìn)行電刷鍍鎳,沿著導(dǎo)管外圓的外切六邊形方向均勻、對(duì)稱(chēng)地刷鍍。從表1可知,電刷鍍鎳層的總厚度均在6 ~ 12 μm 范圍內(nèi),并且鍍后導(dǎo)管的尺寸公差符合要求。從圖4 可知,導(dǎo)管表面電刷鍍鎳層均勻、細(xì)致,外觀合格。對(duì)電刷鍍鎳45 碳鋼片180°彎曲折斷結(jié)果也顯示電刷鍍鎳層的結(jié)合力合格。電刷鍍鎳導(dǎo)管釬焊后的X 射線圖像(圖5)也表明焊接部位的鎳鍍層與焊料良好地填充在導(dǎo)管與套管(連接管)的間隙中,釬焊效果良好。
表1 導(dǎo)管電刷鍍鎳性能匯總Table 1 Properties of electro-brush plated nickel coatings on ducts
圖4 導(dǎo)管刷鍍鎳后的外觀Figure 4 Appearance of duct after electro-brush nickel plating
圖5 釬焊后X 射線探傷檢測(cè)結(jié)果Figure 5 X-ray inspection result of the nickel-plated duct after being welded
綜上可知,電刷鍍鎳可用于機(jī)上導(dǎo)管鎳鍍層的修復(fù),但鑒于機(jī)上操作環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性,應(yīng)注意以下兩點(diǎn):
1) 機(jī)上操作環(huán)境復(fù)雜,與地面環(huán)境相差較大,在不做調(diào)整和防護(hù)的情況下無(wú)法保證刷鍍的順利進(jìn)行,而且刷鍍過(guò)程很容易產(chǎn)生槽液或者多余物污染。所以,電刷鍍前應(yīng)對(duì)機(jī)體內(nèi)、外部鋪蓋塑料布作為防護(hù),工作區(qū)域下方則利用塑料布和吸水材料進(jìn)行防護(hù),刷鍍前應(yīng)對(duì)導(dǎo)管待鍍區(qū)域進(jìn)行除油和清理污物,并做好刷鍍空間的檢查,以方便操作。
2) 機(jī)上操作時(shí)因無(wú)吹砂、超聲波除油、弱腐蝕等前處理工序,若刷鍍過(guò)程出現(xiàn)返工,又無(wú)法在機(jī)上用硝酸退除鎳層,將直接影響結(jié)合力,致使任務(wù)失敗。因此,要對(duì)電刷鍍工藝進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn),通過(guò)砂紙打磨、無(wú)水乙醇清洗、刷電凈液及活化液等前處理操作,為后續(xù)電刷鍍鎳創(chuàng)造有利條件,避免返工。
某型飛機(jī)的300M 鋼起落架活塞桿在內(nèi)孔的端面出現(xiàn)鎘鈦層脫落,影響耐蝕性,無(wú)法裝配交付部隊(duì)使用。由于該產(chǎn)品的故障區(qū)域較小,但產(chǎn)品體積較大,無(wú)法下槽電鍍,計(jì)劃通過(guò)刷鍍鎘對(duì)端面進(jìn)行修復(fù)。其主要難點(diǎn)在于如何保證鎘鍍層厚度在5 ~ 12 μm 范圍內(nèi),結(jié)合力合格,無(wú)尖端粗糙(尤其是新鍍層與原鍍層間的過(guò)渡區(qū)域)問(wèn)題,以及鈍化后鍍層的顏色盡可能與原鎘-鈦合金層一致。與電刷鍍鎳一樣,電刷鍍鎘同樣需要先通過(guò)試驗(yàn)研究來(lái)得出適宜的刷鍍時(shí)間、電壓、鍍筆移動(dòng)速率、刷鍍接觸方式等工藝條件,以保證鍍層性能,并為后續(xù)大面積電刷鍍提供技術(shù)支持。
2.2.1 飛機(jī)起落架活塞桿對(duì)鍍鎘層的性能要求和檢測(cè)方法
1) 外觀:鍍層應(yīng)平整、細(xì)致,未鈍化的鎘層為灰至乳白色,允許有深淺不等的色差。鈍化后呈棕黃色,允許有暗斑和色差。檢測(cè)方法與鍍鎳層相同。
2) 厚度:控制在5 ~ 12 μm 范圍內(nèi),略高于正常電鍍鎘的厚度上限,但符合使用要求,通過(guò)磁感應(yīng)手持式測(cè)厚儀測(cè)量。
3) 結(jié)合力:以100 mm × 25 mm × 1 mm 的30CrMnSiA 為基材試刷鍍,進(jìn)行180°彎曲折斷后,斷口處無(wú)鍍層脫落現(xiàn)象。
4) 其他性能:能夠通過(guò)500 h 中性鹽霧腐蝕試驗(yàn);定期用鍍液電鍍氫脆試棒,在規(guī)定的靜載荷下延遲破壞試驗(yàn)200 h 不斷裂。
2.2.2 電刷鍍鎘試驗(yàn)步驟
如圖6 所示,300M 鋼起落架活塞桿的刷鍍修復(fù)區(qū)域是螺紋外的?134 mm 外圓(配合面使用藍(lán)色膠帶防護(hù),螺紋采用黑色膠帶防護(hù)),以及端口的端面位置(內(nèi)孔使用藍(lán)色膠帶保護(hù)),該區(qū)域鍍層破損后有腐蝕狀況,應(yīng)清理腐蝕產(chǎn)物再刷鍍。
圖6 起落架活塞桿刷鍍鎘Figure 6 Piston rod of landing gear needing plating with cadmium
1) 先按照正常工藝步驟和參數(shù)對(duì)30CrMnSiA 試片電刷鍍鎘,預(yù)估電刷鍍參數(shù),再對(duì)起落架活塞桿電刷鍍鎘,總結(jié)較優(yōu)工藝參數(shù)和注意事項(xiàng)。
2) 檢查原鎘層脫落部位,保證刷鍍時(shí)重點(diǎn)對(duì)鍍層脫落部位進(jìn)行清理和刷鍍。利用3M 拋光布對(duì)刷鍍部位進(jìn)行輕微拋光,去除表面氧化膜,禁止盲目、大力而損傷底層,拋光后吹凈表面。
3) 利用絕緣膠帶、塑料布對(duì)其余區(qū)域進(jìn)行防護(hù),保證?134 mm 外圓以外的臺(tái)階面和端面以?xún)?nèi)的過(guò)渡區(qū)及內(nèi)孔防護(hù)到位,不出現(xiàn)多余的鎘層。
4) 利用銅絲在非配合位置進(jìn)行捆扎,用導(dǎo)電夾夾持后進(jìn)行電凈和刷鍍鎘。
該起落架活塞桿的電刷鍍鎘工藝流程較導(dǎo)管電刷鍍鎳簡(jiǎn)單,主要包括除油、電凈和電刷鍍鎘。
2.3.1 除油
用無(wú)水乙醇擦拭刷鍍區(qū)域。
2.3.2 電凈
電凈液的組成同1.3.5 節(jié),鍍筆接負(fù)極,工件接正極,先沖少量水以潤(rùn)濕表面、增加導(dǎo)電,待表面起泡時(shí)開(kāi)始計(jì)算電凈時(shí)間。工藝條件為:電壓8 ~ 12 V,鍍筆移動(dòng)速率150 ~ 300 mm/s,室溫,時(shí)間10 ~ 30 s。
2.3.3 刷鍍鎘
電刷鍍鎘采用市售的LHC 低氫脆鍍鎘液,主要步驟如下:
1) 刷鍍過(guò)程中手動(dòng)操作刷鍍筆(刷鍍筆內(nèi)陽(yáng)極為鉛棒),先蘸取鍍液潤(rùn)濕待鍍區(qū),使鍍筆表面與待鍍區(qū)貼平接觸,沿著外徑和端面外圓進(jìn)行3 ~ 5 次的環(huán)形運(yùn)動(dòng),使產(chǎn)品充分接觸溶液,再換向、接通電源。
2) 在電壓10 ~ 12 V、鍍筆移動(dòng)速率100 ~ 300 mm/s 和室溫的條件下,先對(duì)工件整體電刷鍍1 min,使工件整體沉積一層鎘(目視可見(jiàn)已變色)。注意手持陽(yáng)極要使用最小的壓力,以防溶液流失、壓貼過(guò)緊而導(dǎo)致出現(xiàn)鍍層燒焦、鍍筆陽(yáng)極套磨損等問(wèn)題。刷鍍時(shí)陽(yáng)極作環(huán)形運(yùn)動(dòng),盡量避免直線往返運(yùn)動(dòng),因?yàn)檎鄯禃r(shí)的停頓有可能引起燒焦。
3) 先刷鍍?134 mm 外圓,重點(diǎn)刷鍍鎘層脫落的部位,以刷鍍3 次脫落處 + 1 次整體的往復(fù)動(dòng)作進(jìn)行5 min。然后將工件轉(zhuǎn)動(dòng)180°,對(duì)底部刷鍍5 min,方式同上。最后刷端面,由于刷鍍外圓時(shí)已接觸部分端面,所以重點(diǎn)刷鍍未接觸部位,8 min 后結(jié)束。
4) 對(duì)工件整體補(bǔ)充刷鍍1 min,盡可能保證各部位鍍層顏色均勻。
5) 使用鈍化槽液對(duì)刷鍍區(qū)域進(jìn)行涂抹和澆液,不出光,使刷鍍層表面形成鈍化膜。
6) 沖洗工件、拆防護(hù),再?zèng)_洗、吹干。注意:刷鍍完之后要及時(shí)將陽(yáng)極從鍍筆上拆下,去掉陽(yáng)極包套和棉胎,徹底清洗鍍筆和陽(yáng)極,吹干待用。
刷鍍位置的鎘層為灰白色,鈍化后為稍暗的棕黃色,滿(mǎn)足外觀要求;刷鍍10 min,鎘鍍層厚度達(dá)到9 μm,在要求的5 ~ 10 μm 范圍內(nèi);180°彎曲折斷試片后,鍍層未脫落;使用LHC 低氫脆鍍鎘液對(duì)鹽霧試片、氫脆試棒進(jìn)行電鍍(半年周期檢測(cè)),滿(mǎn)足500 h 中性鹽霧腐蝕和延遲破壞200 h 不斷裂的試驗(yàn)要求。刷鍍效果較好,滿(mǎn)足使用要求,圖7 為試片刷鍍鎘的外觀。
圖7 電刷鍍鎘外觀Figure 7 Appearance of electro-brush plated cadmium coating
針對(duì)飛機(jī)起落架活塞桿電刷鍍鎘修復(fù),應(yīng)注意如下事項(xiàng):
1) 起落架活塞桿端部較小,對(duì)其電刷鍍鎘修補(bǔ)時(shí)要重點(diǎn)在原鍍層脫落部位進(jìn)行補(bǔ)充。采用較高的電壓時(shí),導(dǎo)電更快,沉積速率更大,此時(shí)應(yīng)采用較高的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,防止刷鍍位置發(fā)黑、燒灼。
2) 300M 鋼對(duì)缺口的敏感度較高,存在較大的應(yīng)力開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)禁止其接觸刷鍍以外的溶液,避免發(fā)生磕碰、劃傷、撞擊,因此要做好接收檢查和防護(hù),防止產(chǎn)品在流轉(zhuǎn)、存放、施工過(guò)程中發(fā)生沖擊損傷或外表面損傷。
電刷鍍技術(shù)有望在飛機(jī)修理領(lǐng)域不斷得到應(yīng)用和推廣,但需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究方可獲得與地面鍍槽電鍍相當(dāng)?shù)腻儗有阅?,進(jìn)而滿(mǎn)足飛機(jī)上無(wú)法拆卸的零件或不能常規(guī)入槽電鍍的大型零件的防護(hù)處理。