雙金屬溶滲技術(shù)在雙系液壓作動筒隔套的應(yīng)用

雙金屬溶滲技術(shù)在雙系液壓作動筒隔套的應(yīng)用

戈和偉

(海軍裝備部,陜西 西安 710077)

摘要：針對雙腔作動筒對隔套強度、耐磨性的要求，研制了雙金屬隔套，解決了單一材料隔套剛度與耐磨性難以兼顧的技術(shù)難題。提出的雙金屬溶滲技術(shù)工藝方法與檢測方法，有效解決了兩種金屬的結(jié)合、鋼材料熱處理后晶粒度粗大、真空熔滲時表面易氧化等問題，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，為雙金屬溶滲技術(shù)跨領(lǐng)域使用提供了參考。

關(guān)鍵詞：雙金屬溶滲技術(shù)；雙系液壓作動筒；隔套

收稿日期：2014-10-13

作者簡介：戈和偉(1976-)，男，河北阜城縣人，工程師，從事航空航天機載操縱系統(tǒng)技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督工作。

中圖分類號：TG495文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隔套作為某型飛機雙系液壓作動筒的重要零件，作用是將產(chǎn)品分隔為兩腔，實現(xiàn)雙余度，隔套與筒體配合處設(shè)有靜密封，與活塞配合處設(shè)有動密封(見圖1)。當(dāng)分配機構(gòu)的高壓腔與作動筒的伸出腔、收進(jìn)腔溝通時，帶動作動筒的活塞桿向伸出、收進(jìn)方向運動，工作過程中隔套既要有承受一定的載荷，又要有很好的耐磨性。

目前隔套大多選用鋼或銅材料制成，由于鋼隔套強度較高，工作過程中容易磨損甚至劃傷活塞桿，造成密封圈損傷，引起產(chǎn)品漏油；銅隔套雖有較好的耐磨性，但強度較低，承受較大載荷時易變形，無法滿足產(chǎn)品使用要求。

考慮到產(chǎn)品空間要求和大載荷的使用條件下，目前的單一金屬隔套無法同時滿足剛度和耐磨性要求，因此需要設(shè)計雙金屬隔套。

圖1　某飛機雙系液壓作動筒結(jié)構(gòu)示意圖

1雙金屬隔套設(shè)計方案

目前液壓作動筒隔套設(shè)計時通常采用滾柱固定或銷軸固定方式。滾柱固定方式因其徑向尺寸大，無法滿足飛機空間要求，故本設(shè)計中不采用。隔套采用銷軸固定方式，如選用強度較高的鋼隔套，工作中易出現(xiàn)磨損導(dǎo)致密封圈損傷；銅隔套雖有較好的耐磨性，但強度較低，在28MPa工作載荷下易變形，以上都是產(chǎn)品漏油超標(biāo)的潛在因素。目前，單一金屬的性能往往不能滿足生產(chǎn)和生活的需求,而雙金屬復(fù)合材料由于同時兼具兩種金屬材料的優(yōu)點,因此,得到了日益廣泛的應(yīng)用[1]。而設(shè)計中采用雙金屬可兼顧強度和耐磨性，具有以下特性：與筒體配合部分需有較好的強度、剛度和耐腐蝕性；與活塞配合部分具有較好的耐磨性；兩種金屬材料應(yīng)充分復(fù)合，確保在振動、沖擊條件下不出現(xiàn)兩種金屬分離現(xiàn)象。

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

因雙金屬結(jié)構(gòu)一般不在交變載荷的環(huán)境中使用，在機械加工及工作中易出現(xiàn)鋼與銅分離現(xiàn)象。針對以上，根據(jù)上述需求，雙金屬隔套設(shè)計時采取鋼嵌銅結(jié)構(gòu)，在鋼套內(nèi)腔兩種金屬的結(jié)合面處設(shè)計固聯(lián)槽或孔(見圖2)，對防止隔套在使用過程中因受力而出現(xiàn)相對運動有一定的積極作用。

2a)雙金屬隔套結(jié)構(gòu)

2b)鋼套結(jié)構(gòu)

1.2材料選擇

根據(jù)上述需求，雙金屬隔套設(shè)計時采取鋼嵌銅結(jié)構(gòu)，外圈鋼結(jié)構(gòu)采用0Cr16Ni6不銹鋼，為主體材料；內(nèi)嵌銅采用QAl10-5-5鋁青銅，為熔滲材料。0Cr16Ni6鋼是一種高強度、高韌性和耐蝕性能優(yōu)良的馬氏體-奧氏體雙向鉻鎳不銹鋼。經(jīng)固溶處理、冷處理及回火后，具有穩(wěn)定馬氏體和奧氏體組織[2]。QAl10-5-5是銅-鋁-鎳-鐵四元系熱強型復(fù)雜鋁青銅，具有較好的耐磨性[3]。合金中的鐵、鎳與鋁在室溫下能形成具有有序體心立方晶格的馬氏體k相。k相在高溫時溶入α和β相中，隨溫度降低而析出[4]。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜刂破湮龀鲂螒B(tài)和尺寸，借以提高合金的力學(xué)性能。

兩種金屬均可以通過熱處理強化，但熱處理制度相差很大，工藝實現(xiàn)難度大,關(guān)鍵技術(shù)為工藝方案及熱處理制度。

2雙金屬工藝方案選擇

雙金屬復(fù)合有機械復(fù)合及擴散(冶金)復(fù)合兩種。根據(jù)工藝特點設(shè)計了重力澆注、離心鑄造、真空熔滲三種工藝方案進(jìn)行對比驗證，其金相組織詳見圖3。

2.1金屬重力澆注

工藝方案為：鋼件內(nèi)表面與銅接觸處涂一層涂料，再將銅熔化后澆注到鋼件內(nèi)腔，保溫一定時間后快速冷卻，整個過程均在大氣下完成。首批雙金屬試件機械加工后，銅與鋼的結(jié)合面上有目視明顯的分層、氣孔、縮松以及氧化物等缺陷，這些缺陷會惡化結(jié)合面性能，使產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)故障[5]。金相組織可看出雙金屬界面結(jié)合處存在著大面積的結(jié)合不良。鋼件與銅結(jié)合處的能譜分析發(fā)現(xiàn)氧含量較高，氧化較為嚴(yán)重。

試制結(jié)果表明：大氣下進(jìn)行金屬重力澆注，涂料不能進(jìn)行完全保護(hù)，氧化物會影響兩種金屬材料的結(jié)合；由于澆注過程中涂料受熱揮發(fā)后不能完全逃逸，銅合金易出現(xiàn)冶金缺陷。

2.2離心鑄造

離心鑄造方案試制，調(diào)整了防氧化劑成分及澆注工藝參數(shù)，期望通過離心力改善兩種金屬的結(jié)合。離心鑄造方案試制的零件界面熱處理前就出現(xiàn)縫隙。后續(xù)多次調(diào)整工藝參數(shù)，依然沒有解決該問題。以上兩種方案試制后，發(fā)現(xiàn)：

(1)在大氣情況下，依靠涂料保護(hù)鋼表面不氧化的雙金屬鑄造工藝，無法滿足結(jié)合良好、無冶金缺陷的要求，且重力澆鑄和離心鑄造通常不在真空環(huán)境下實現(xiàn)。

(2)澆注鋁青銅前，對鋼件長時間高溫預(yù)熱，澆注過程中的熱傳導(dǎo)會破壞鋼件毛坯原有的熱處理狀態(tài)，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。

2.3雙金屬真空熔滲工藝

銅合金熔煉采用真空熔煉工藝，整個生產(chǎn)過程是在真空下進(jìn)行，真空條件下合金中存在的氣體量降低,夾雜物分解,提高了合金的純度[6]，能夠很好的防止合金表面氧化。鋼套表面采用獨特的溶劑進(jìn)行處理，以提高鋼與銅的潤濕性。

2.3.1難點分析

QAl10-5-5材料向0Cr16Ni6材料的滲入，特別是鋼件和銅件的表面預(yù)處理；解決兩種金屬熱處理制度的矛盾；熱處理后0Cr16Ni6材料晶粒度粗大；鋼件表面氧化等技術(shù)難點。

2.3.2措施

主要通過對雙金屬溶滲工藝參數(shù)的選擇和控制，包括腔體凹槽的特殊處理、銅棒的規(guī)格選擇、體積大小選擇、裝料方式、真空爐真空度的選擇、升溫速率、升溫溫度、保溫時間、降溫速率、破真空速率等工藝參數(shù)。銅元素需在最短的時間內(nèi)完成滲入，防止鋼套晶粒度急劇粗大，后續(xù)無法進(jìn)行熱處理細(xì)化。真空熔滲之前，銅棒表面要經(jīng)過(特殊的處理)清理，避免熔化后金屬結(jié)合面產(chǎn)生夾雜；鋼套的界面采用特制的促滲劑進(jìn)行活化處理，以保證0Cr16Ni6鋼高溫下不產(chǎn)生氧化。

2.3.3主要工藝流程

鋼套的內(nèi)表面去油脂、酸洗處理后，預(yù)熱并將銅棒放進(jìn)鋼管內(nèi)腔，在真空爐內(nèi)進(jìn)行熔滲，為使銅與鋼件更好的結(jié)合，銅合金溶化后需進(jìn)行長時間保溫(2～3小時)。

2.3.4試制結(jié)果

熔滲工藝生產(chǎn)的零件經(jīng)化學(xué)成分檢查、力學(xué)性能檢測及過渡層解剖分析、熱處理后硬度檢查，均滿足要求。

3a)重力澆注雙金屬典型缺陷部位

3b)離心鑄造雙金屬件結(jié)合面金相照片

3c)真空熔滲雙金屬件結(jié)合面金相照片

圖3是不同制造工藝制造的雙金屬零件結(jié)合面放大圖，其中圖3a)為重力澆注雙金屬典型缺陷部位放大圖，可以看到重力澆注雙金屬界面結(jié)合處存在著大面積的結(jié)合不良。圖3b)為離心鑄造工藝的結(jié)合面放大圖，可以看到離心鑄造工藝成型的雙金屬鋼與銅結(jié)合不良，能看到明顯縫隙。圖3c)為真空熔滲工藝的結(jié)合面放大200倍的金相組織，可以看到整個零件過渡層均勻，厚度為7μm，鋼與銅結(jié)合良好。鋼件與銅過渡處及附近的能譜分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，銅元素向鋼過渡區(qū)呈逐步遞減趨勢，擴散比較充分，實現(xiàn)了冶金結(jié)合。如圖4所示。檢測同爐拉力試棒結(jié)合力，界面結(jié)合強度≥600MPa。經(jīng)過對比不同制造工藝制造的雙金屬零件過渡層組織可看出：離心鑄造工藝的過渡層寬度很窄,結(jié)合面沒有完全融合，說明離心鑄造工藝的接觸面的結(jié)合并不緊密,兩種金屬的界面性能也會因此降低。如圖5所示。真空熔滲工藝成型的雙金屬界面過渡層平直并且結(jié)合較好,受到應(yīng)力時不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,且受力面較寬,這樣0Cr16Ni6/QAl10-5-5雙金屬件的界面結(jié)合性能也就隨之提高[7]。這是由于真空熔滲工藝整個過程在真空條件下進(jìn)行，避免了合金在熔化過程中的氧化吸氣，提高了合金液的純凈度，較好地克服了合金熔滲過程中可能形成的異態(tài)組織、夾雜物和其他缺陷對其結(jié)合性能的影響。

譜圖在狀態(tài)CAlSiCrMnFeNiCu總的譜圖1是0.0810.350.341.425.385.6276.81100.00譜圖2是0.066.420.7711.481.3269.564.835.55100.00譜圖3是0.060.4017.150.6274.906.87100.00譜圖4是0.074.080.7514.930.7572.144.962.32100.00譜圖5是0.077.250.819.771.3568.884.517.35100.00譜圖6是0.055.290.7615.341.2368.654.564.12100.00最大0.0810.350.8117.151.4274.906.8776.81最小0.054.080.400.340.625.384.512.32

圖4真空熔滲工藝制造的雙金屬零件過渡層掃描

及能譜分析

譜圖在狀態(tài)CAlSiCrMnFeNiCu總的譜圖1是0.088.280.579.391.6468.074.807.16100.00譜圖2是0.087.3311.921.5169.454.824.88100.00譜圖3是0.084.720.6814.731.0970.844.773.09100.00譜圖4是0.0910.761.686.205.7575.53100.00譜圖5是0.0910.791.485.136.5675.95100.00譜圖6是0.110.3517.4774.977.10100.00譜圖7是0.1117.7875.866.25100.00最大0.1110.790.6817.781.6875.867.1075.95最小0.084.720.359.391.095.134.773.09

圖5離心鑄造工藝制造的雙金屬零件過渡層掃描

及能譜分析

3試驗驗證

3.1壽命試驗驗證

為了驗證2Cr13鋼、QAl10-5-5鋁青銅、雙金屬三種不同材料隔套的使用效果，分別用三套產(chǎn)品，采用相同的密封方式，進(jìn)行壽命試驗考核。結(jié)果表明，僅是裝有雙金屬隔套的產(chǎn)品，通過了壽命試驗考核(試驗情況見下圖6、圖7)。

圖6　不同合金隔套壽命試驗后總漏油量

圖7　不同合金隔套低溫試驗漏油量

3.2鑒定試驗驗證

為驗證裝有雙金屬隔套產(chǎn)品的功能、性能、壽命以及在極限環(huán)境條件下的工作情況，按照鑒定試驗大綱進(jìn)行考核，結(jié)果滿足要求。

3.3產(chǎn)品裝機試飛驗證

裝有雙金屬隔套的產(chǎn)品隨機進(jìn)行飛行試驗，產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能，產(chǎn)品性能和技術(shù)參數(shù)符合技術(shù)協(xié)議書的規(guī)定要求。

4性能指標(biāo)及檢測方法

因無可參考的檢測方法，根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，確定了以下5種檢測方法。

(1)磁粉探傷；

(2)鋼材料晶粒度應(yīng)≥4級；

(3)能譜分析。雙金屬過渡區(qū)域能譜分析應(yīng)表明銅元素向鋼過渡區(qū)呈逐步遞減趨勢；

(4)溶滲深度檢查。金相組織下零件過渡層應(yīng)均勻，無冶金缺陷，厚度≥3μm；

(5)檢測同爐雙金屬試件界面結(jié)合強度應(yīng)≥400MPa。

5結(jié)語

雙金屬隔套在航空液壓雙系作動筒的運用，實現(xiàn)了其在交變載荷環(huán)境中的使用，解決了單一材料下產(chǎn)品剛度或耐磨性不足的技術(shù)難題，提出的雙金屬溶滲技術(shù)工藝方法與檢測方法，有效解決了鋼材料熱處理后晶粒度粗大、真空熔滲時表面易氧化等問題，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，為雙金屬溶滲技術(shù)跨領(lǐng)域使用提供了參考。

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[責(zé)任編輯、校對：張朋毅]

Application of Bimetallic Infiltration Technology to Dual Channel

Hydraulic Actuator Sleeve

GEHe-wei

(Department of Navy Equipment, Xi'an 710077, China)

Abstract：Based on the requirements of dual-cavity actuator on the strength and decay resistance of the sleeve, the bimetallic infiltration sleeve has been developed to solve the technical problem that the sleeve strength and decay resistance could not be combined for the single material. The bimetallic infiltration technology and inspection method has efficiently solved the problems such as the combination of two metals, the large grain size after heat treatment of steel, and easy oxidation on surfaces when doing vacuum infiltration, which guaranteed the quality of the products and provided the reference for cross-disciplinary use of bimetallic infiltration technology.

Key words：bimetallic infiltration; hydraulic actuator; sleeve