CN113463084A - 一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料及修复方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属材料表面加工技术领域，具体涉及一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料及修复方法与应用。本发明提供的铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，按wt.％计，包括如下成分：Al 68％～82％，Si 1％～3％，Al2O315％～29％。该修复材料在低温状态(＜500℃)具有较好的流动性，可增加修复材料在铝合金母材表面的有效沉积，而且该修复材料能够在木材表面形成稳定的钝化膜，从而可提高修复部位的结合强度及耐腐蚀性。在该修复材料基础上，本发明采用冷喷涂与冷焊相结合的修复工艺，通过二者协同作用，使得修复部位的抗拉强度和耐腐蚀性得到显著提高；而且本发明修复方法所用设备均为常规设备，成本较低，方便灵活，可实现现场快速修复，修复效率较高。

Description

一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料及修复方法与应用
技术领域
本发明涉及金属材料表面加工技术领域，具体涉及一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料及修复方法与应用。
背景技术
高速动车组运行环境十分复杂，包括高寒低温、沿海盐雾、工业酸雨等大气环境，由于气候差异以及各地大气中腐蚀物质不同，高速动车组铝合金车体会发生腐蚀，造成铝合金车体的损伤。
对于铝合金车体内部结构，尤其是地板，同样会因为腐蚀介质的存在出现腐蚀问题。例如，铝合金车体端门地板长期暴露在大气中，在不同的大气环境下与雨水的侵蚀下，极易发生腐蚀；车门地板下排水槽中的水含有各种腐蚀介质，如雨水、清洗剂、Cl-等，在长期的干湿交替条件下，同样会发生严重腐蚀；铝合金构件某些位置会采用碳钢或不锈钢材料，如碳钢螺栓、不锈钢垫板等，凡是异种金属接触部位，未加以绝缘且表面有腐蚀介质，就会发生电偶腐蚀；在卫生间及垃圾桶下的地板部位，由于清理不及时，长期受到腐蚀介质的浸泡，会引起全面腐蚀。
上述点蚀、剥层腐蚀、电偶腐蚀等问题会造成铝合金车体出现缺陷，损耗大量的维修经费，缩短其使用寿命，更严重威胁着高速动车组的安全可靠性。
目前，国内外的学者利用激光沉积修复技术对铝合金车体进行修复，该方法具有修复效率高、结合强度高等优点，但激光设备成本高，体积大，无法满足现场快速修复的要求。
金属修补剂修复技术，是将由高分子聚合物、铝合金粉末以及固化剂构成的膏状修补剂涂抹到缺陷处，实现缺陷部位的修复。该方法具有收缩性小、无需机械加工及热处理等优点，虽可以满足现场条件下临时、快速的修复要求，但结合强度较低，容易在外力冲击或应力集中的情况下发生失效。
发明内容
本发明的第一方面提供一种复合冷加工工艺修复铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料。该修复材料在低温状态(＜500℃)具有较好的流动性，可增加修复材料在铝合金母材表面的有效沉积，而且该修复材料能够在木材表面形成稳定的钝化膜，从而可提高修复部位的结合强度及耐腐蚀性。
本发明提供的铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，按wt.％计，包括如下成分：Al68％～82％，Si 1％～3％，Al2O3 15％～29％。
现有的金属修补剂虽可满足现场快速修复要求，但结合强度低。而激光沉积修复技术虽修复结合强度高，但成本高、不适于现场快速修复。如何兼具高结合强度与现场快速修复成为目前铝合金构件腐蚀缺陷修复的难题之一。
本发明通过深入研究发现，在纯铝粉末中添加适量的纯硅和氧化铝粉末，有助于提高纯铝Al粉末的流动性，进而增加修复材料在铝合金母材表面的有效沉积，可提高修复部位的结合强度及耐腐蚀性。
然而研究发现，若氧化铝Al2O3的添加量不合适会影响修复材料的沉积效率及修复部位的整体性能；同时修复材料与母材成分差异过大，会在界面处产生较大的残余应力，降低结合强度防腐蚀性能。基于此，本发明对修复材料中硅、氧化铝的添加量进行优化，确定修复材料中硅、氧化铝的质量百分比分别为1％～3％和15％～29％。
本发明所述的修复材料中，氧化铝(Al2O3)的纯度为98.99％，平均粒度范围30～100μm。研究表明，通过控制其粒度范围，可增加粉末流动性，增加纯铝粉末的动能，进而改善其沉积效率。
本发明所述的修复材料中，纯硅(Si)的纯度为99.98％，平均粒度范围20～50μm。研究表明，通过控制其粒度范围，不仅可以增加粉末的流动性，而且在腐蚀条件下，会生成具有良好耐腐蚀性的二氧化硅，与纯铝的钝化膜结合在一起，形成更加致密的保护层，提高修复部位的耐腐蚀性。
本发明所述的修复材料中，纯铝(Al)的纯度为99.99％，平均粒度范围5～40μm，为氮气雾化法生产。研究表明，通过控制其粒度范围，使修复部位与母材之间的成分相近，避免在使用过程中产生较大的应力，在腐蚀条件下，会生成耐腐蚀的钝化膜，有助于提高修复部位的耐腐蚀性。
本发明研究发现，进一步控制所述Si的含量为1.5％～2.4％，可以起到减缓修复部位发生晶间腐蚀及点蚀(冷喷涂和冷焊修复后)的作用。
而进一步控制所述Al2O3的含量为18％～24％，可以起到降低修复部位孔隙率的(冷喷涂和冷焊修复后)作用。
同时，本发明还发现控制Si、Al2O3的含量比例为1:14～1:10，可以增大抗拉强度，增加修复区域的致密性，同时具有较高的腐蚀电位，经冷喷涂和冷焊修复后具有明显的保护效果。
本发明的第二方面提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，采用上述修复材料，通过冷喷涂与冷焊相结合工艺对铝合金构件腐蚀缺陷进行修复。
具体来讲，本发明所述的修复方法为，先通过冷喷涂工艺对缺陷部位进行补形处理，再通过冷焊工艺对冷喷涂修复部位进行重熔处理。
本发明发现，通过冷喷涂可使修复材料在低温状态(＜500℃)下沉积到铝合金车体表面，如此可大幅减小对铝合金车体的热影响，从而具有更稳定的相结构和化学成分。而上述修复材料由于具有良好的流动性，与冷喷涂工艺配合使用，可进一步提高沉积效果。
在冷喷涂处理基础上，进一步采用低热输入高脉冲电流的冷焊修复方法，利用最小的能量输入，在极短的时间内达到脉冲峰值，对冷喷涂修复部位进行重熔处理，可显著增加修复部位的表面致密性，阻碍腐蚀介质的侵蚀，提高修复部位与铝合金母材的结合强度，不会发生热变形，如热裂纹或软化现象。
本发明所述冷喷涂所使用的冷喷涂修复***可采用本领域常规冷喷涂***，并根据不同位置缺陷进行相适应的改造，具有加工灵活的优点；同时，还可配有除尘装备，可以对修复材料回收再利用，对环境基本无污染。
此外，现有修复技术在对铝合金车体进行修复时，由于铝合金车体底部局部位置包含电子器件及易燃物，在焊补的过程中需要利用防火布将其包围，以防起火。而本发明所述的修复方法没有飞溅，不会对这些部位造成影响，有效避免火灾的隐患，安全性更高。
为了进一步提高修复效果，在采取冷喷涂之前，先对铝合金构件腐蚀缺陷部位进行表面预处理，以去除氧化膜、油污，并将缺陷部位边缘与铝合金车体表面的夹角打磨小于40°。
所述表面预处理为：利用角磨机对腐蚀缺陷部位进行打磨，确保腐蚀缺陷部位打磨干净，没有氧化膜，缺陷部位边缘与铝合金车体表面的夹角小于40°；用酒精和丙酮清洗修复部位，去除油污，保证铝合金表面待修复部位漏出金属光泽。
本发明中，在所述表面预处理之后，实施冷喷涂之前，先对铝合金构件进行烘干，去除多余水分。烘干条件优选为60℃下烘干3～4小时。
所述冷喷涂的工艺条件为：气体压力0.5～0.9MPa；载气温度200～400℃；喷嘴口距离缺陷部位表面10～40mm；移动速度10～50mm/s；送粉速率30～70g/min。
优选地，为了便于后续冷焊处理，完成所述冷喷涂修复后，保证修复部位余高1～2mm。
本发明所述冷焊中，所述冷焊的工艺条件为：脉冲电流30～100A，脉冲时间30～100ms，氩气流量3～7L/min。冷焊后随室温冷却，利用角磨机将修复部位加工平整。
优选地，在开始冷焊处理前，先将修复部位余高打磨降低0.5-1mm。
本发明所述的铝合金构件的腐蚀缺陷可为本领域常见缺陷，如圆坑状缺陷、沟状缺陷等。
本发明第三个方面提供一种高速动车组铝合金车体修复方法，其使用上述修复方法。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的修复材料及修复方法可显著提高铝合金构件的修复部位的抗拉强度及耐腐蚀性。经验证，修复后铝合金构件的抗拉强度可达到190～243MPa，中性盐雾条件下的耐腐蚀性与铝合金母材相近，耐腐蚀性能得到显著提高；同时修复设备均为常规设备，成本较低，方便灵活，可实现现场快速修复，修复效率较高。总之，采用本发明所述的修复材料及修复方法可延长车辆使用寿命，减少车辆维护成本，保证高速动车组的安全稳定性。
附图说明
图1为修复部位与铝合金母材的结合界面。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料。
按质量百分比计wt.％，其配方为：
纯铝(Al)72％，纯硅(Si)1.2％，氧化铝26.8％；
其中，纯铝(Al)，纯度为99.99％，平均粒度为10～20μm，为氮气雾化法生产。
纯硅(Si)，纯度为99.98％，平均粒度为20～40μm。
氧化铝(Al2O3)纯度为98.99％，平均粒度为40～60μm。
实施例2
本实施例提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料。
按质量百分比计wt.％，其配方为：
纯铝(Al)75％，纯硅(Si)2.3％，氧化铝22.7％；
其中，纯铝(Al)，纯度为99.99％，平均粒度为10～30μm，为氮气雾化法生产。
纯硅(Si)，纯度为99.98％，平均粒度为20～40μm。
氧化铝(Al2O3)纯度为98.99％，平均粒度为30～50μm。
实施例3
本实施例提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料。
按质量百分比计wt.％，其配方为：
纯铝(Al)80％，纯硅(Si)1.5％，氧化铝18.5％；
其中，纯铝(Al)，纯度为99.99％，平均粒度为5～30μm，为氮气雾化法生产。
纯硅(Si)，纯度为99.98％，平均粒度为20～40μm。
氧化铝(Al2O3)纯度为98.99％，平均粒度为50～80μm。
实施例4
本实施例提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，采用上述实施例1的修复材料进行修复。
该铝合金构件的腐蚀缺陷为圆坑状缺陷。
所述修复方法的具体步骤如下：
(1)铝合金构件腐蚀缺陷处需要进行表面预处理：
利用角磨机对腐蚀缺陷部位进行打磨，确保腐蚀缺陷部位打磨干净，没有氧化膜，修复部位边缘与铝合金车体表面的夹角小于40°；
用酒精和丙酮清洗修复部位，去除油污，保证铝合金表面待修复部位漏出金属光泽。
(2)冷喷涂修复：
将修复材料放入烘干箱，在60℃下烘干3～4小时。
利用自制低压冷喷涂***对铝合金构件的腐蚀缺陷部位进行修复，同时利用自制的除尘设备对修复材料进行回收。
采用的工艺参数为：气体压力0.65MPa；载气温度300℃；喷嘴口距离待修复表面20mm；移动速度15mm/s；送粉速率45g/min。
完成冷喷涂修复后，保证余高2mm。修复部位与铝合金母材的结合界面见图1。
(3)对冷喷涂修复部位进行冷焊重熔：
冷喷涂修复后，将修复部位余高打磨至1mm。利用手持式冷焊机对冷喷涂修复部位进行重熔处理；
采用的工艺参数为：脉冲电流54A，脉冲时间50ms，氩气流量6L/min。冷焊后随室温冷却，利用角磨机将修复部位加工平整。
实施例5
本实施例提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，采用上述实施例2的修复材料进行修复。
该铝合金构件的腐蚀缺陷为沟状缺陷。
所述修复方法的具体步骤如下：
(1)铝合金构件腐蚀缺陷处需要进行表面预处理：
利用角磨机对腐蚀缺陷部位进行打磨，确保腐蚀缺陷部位打磨干净，没有氧化膜，修复部位边缘与铝合金车体表面的夹角小于40°；
用酒精和丙酮清洗修复部位，去除油污，保证铝合金表面待修复部位漏出金属光泽。
(2)冷喷涂修复：
将修复材料放入烘干箱，在60℃下烘干3～4小时。
利用自制低压冷喷涂***对铝合金构件的腐蚀缺陷部位进行修复，同时利用自制的除尘设备对修复材料进行回收。
采用的工艺参数为：气体压力0.7MPa；载气温度400℃；喷嘴口距离待修复表面25mm；移动速度20mm/s；送粉速率60g/min。
完成冷喷涂修复后，保证余高2mm。修复部位与铝合金母材的结合界面见图1。
(3)对冷喷涂修复部位进行冷焊重熔：
冷喷涂修复后，将修复部位余高打磨至1mm。利用手持式冷焊机对冷喷涂修复部位进行重熔处理；
采用的工艺参数为：脉冲电流65A，脉冲时间70ms，氩气流量6L/min。冷焊后随室温冷却，利用角磨机将修复部位加工平整。
实施例6
本实施例提供一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，采用上述实施例3的修复材料进行修复。
该铝合金构件的腐蚀缺陷为圆坑状缺陷。
所述修复方法的具体步骤如下：
(1)铝合金构件腐蚀缺陷处需要进行表面预处理：
利用角磨机对腐蚀缺陷部位进行打磨，确保腐蚀缺陷部位打磨干净，没有氧化膜，修复部位边缘与铝合金车体表面的夹角小于40°；
用酒精和丙酮清洗修复部位，去除油污，保证铝合金表面待修复部位漏出金属光泽。
(2)冷喷涂修复：
将修复材料放入烘干箱，在60℃下烘干3～4小时。
利用自制低压冷喷涂***对铝合金构件的腐蚀缺陷部位进行修复，同时利用自制的除尘设备对修复材料进行回收。
采用的工艺参数为：气体压力0.6MPa；载气温度400℃；喷嘴口距离待修复表面15mm；移动速度20mm/s；送粉速率60g/min。
完成冷喷涂修复后，保证余高2mm。修复部位与铝合金母材的结合界面见图1。
(3)对冷喷涂修复部位进行冷焊重熔：
冷喷涂修复后，将修复部位余高打磨至1mm。利用手持式冷焊机对冷喷涂修复部位进行重熔处理；
采用的工艺参数为：脉冲电流43A，脉冲时间70ms，氩气流量5L/min。冷焊后随室温冷却，利用角磨机将修复部位加工平整。
效果验证
以实施例4-6修复部位为例，对其进行检测，以验证采用本发明所述的修复材料及修复方法所取得的技术效果。
其中，抗拉强度的测试方法及标准为：金属材料焊接的破坏性试验-横向拉伸试验EN ISO 4136。
耐腐蚀性的测试方法及标准为：盐雾试验方法JIS Z 2371。
对比例1：采用现有的金属修复膏对实施例5中的铝合金构件缺陷部位进行修复。
对比例2：与实施例2的修复材料的区别仅在于氧化铝含量提高，具体为：氧化铝35％。
对比例3：与实施例2的修复材料的区别仅在于调整硅与氧化铝的比例，具体为：硅：氧化铝的质量比为1:20。
表1
抗拉强度 耐腐蚀性：腐蚀失重率
实施例4 168MPa 3.964g/mm<sup>2</sup>
实施例5 221MPa 3.564g/mm<sup>2</sup>
实施例6 192MPa 4.125g/mm<sup>2</sup>
对比例1 119MPa 6.172g/mm<sup>2</sup>
对比例2 153MPa 5.641g/mm<sup>2</sup>
对比例3 172MPa 4.971g/mm<sup>2</sup>
由表1可知，相比现有金属修补膏的修复效果，采用本发明所述的修复材料及修复方法后，实施例4-6修复部位的抗拉强度和耐腐蚀性得到显著提高。
同时，通过对比例2和对比例3的测试结果可知，修复材料中氧化铝及其与硅比例关系对修复部位的抗拉强度及耐腐蚀性也具有实质性影响，进一步验证了本发明对于修复材料氧化铝及硅含量调整优化所取得的显著效果。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，其特征在于，按wt.％计，包括如下成分：Al68％～82％，Si 1％～3％，Al2O3 15％～29％。
2.根据权利要求1所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，其特征在于，所述Al2O3的平均粒度范围30～100μm；
和/或，所述Si的平均粒度范围20～50μm；
和/或，所述Al的平均粒度范围5～40μm。
3.根据权利要求2所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，其特征在于，控制所述Si的含量为1.5％～2.4％。
4.根据权利要求3所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，其特征在于，控制所述Al2O3的含量为18％～24％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复材料，其特征在于，控制Si、Al2O3的含量比例为1:14～1:10。
6.一种铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述修复材料，通过冷喷涂与冷焊相结合工艺对铝合金构件腐蚀缺陷进行修复。
7.根据权利要求6所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，其特征在于，所述的修复方法为：先通过冷喷涂工艺对缺陷部位进行补形处理，再通过冷焊工艺对冷喷涂修复部位进行重熔处理。
8.根据权利要求7所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，其特征在于，所述冷喷涂的工艺条件为：气体压力0.5～0.9MPa；载气温度200～400℃；喷嘴口距离缺陷部位表面10～40mm；移动速度10～50mm/s；送粉速率30～70g/min；
优选地，所述冷喷涂修复后所得修复部位余高1～2mm。
9.根据权利要求8所述的铝合金构件腐蚀缺陷的修复方法，其特征在于，所述冷焊的工艺条件为：脉冲电流30～100A，脉冲时间30～100ms，氩气流量3～7L/min；
优选地，在开始冷焊处理前，先将修复部位余高打磨降低0.5～1mm。
10.一种高速动车组铝合金车体修复方法，其特征在于，使用权利要求6-9任一项所述的修复方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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潘秀琴: "汽车零件磨损修复技术的应用探讨" *

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