報廢零部件“起死回生”的靈丹妙藥——激光熔覆技術

來源:航空制造網    關鍵詞:激光熔覆, 航空領域, 飛機零件,    發布時間:2018-11-14

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 激光熔覆技術可顯著改善金屬表面的耐磨、耐腐、耐熱水平及抗氧化性等。目前有關激光熔覆的研究主要集中在工藝開發、熔覆層材料體系、激光熔覆的快速凝固組織及與基體的界面結合和性能測試等方面。  
  
航空領域是關系到國家安全的重要領域,也是國家重點支持的戰略行業。如何將激光熔覆技術更好的運用于我國的航空制造具有極為重要的戰略意義。航空材料是武器裝備研發與生產的重要物質基礎和科技先導,強化航空材料基體硬度和耐磨性能對于航空材料的改進具有極為重要的意義。如大功率激光器的開發和應用,為航空材料表面改性提供了新的手段,也為材料表面強化技術的發展開辟了一條新的途徑。陶瓷材料具有金屬材料不可比擬的高硬度和高化學穩定性,因此可以針對零件的不同服役條件,選擇合適的陶瓷材料,利用高能密度激光束加熱溫度高和加熱速度快的特點,在金屬材料(如鈦合金)表面熔覆一層陶瓷涂層,從而將陶瓷材料優異的耐磨、耐蝕性能與金屬材料的高性、高韌性有機地結合起來,可大幅度提高航空零件的使用壽命。
 
飛機零件制造中的應用 
 
飛機機體和發動機鈦合金構件除了在工作狀態下承受載荷外,還會因發動機的啟動/停車循環形成熱疲勞載荷,在交變應力和熱疲勞雙重作用下,產生不同程度的裂紋,嚴重影響機體或發動機的使用壽命,甚至危及飛行安全。因此,需要研究航空鈦合金結構的表面強化方式,發揮其性能優勢,使之得以更廣泛的應用。    
 
陶瓷分為氧化物陶瓷和碳化物陶瓷,氧化鋁、氧化鈦、氧化鈷、氧化鉻及其復合化合物是應用廣泛的氧化物陶瓷,也是制備陶瓷涂層的主要材料。碳化物陶瓷難以單獨制備涂層,一般與具有鈷、鎳基的自熔合金制備成金屬陶瓷,該金屬陶瓷具有很高的硬度和優異的高溫性能,可用作耐磨、耐擦傷、耐腐蝕涂層,常用的有碳化鎢、碳化鈦和碳化鉻等。采用激光熔覆制備陶瓷涂層可先在材料表面添加過渡層材料(如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等),然后用脈沖激光熔覆,使過渡層中的Ni、Cr合金與陶瓷中Al2O3、ZrO2等材料熔覆在基體的表面,形成多孔性,基體中的金屬分子也能擴散到陶瓷層中,進而改善涂層的結構和性能。將陶瓷涂層激光熔覆用于航空發動機渦輪葉片是一項很有應用價值的高新技術,常用的激光熔覆材料見表1。
 
 
飛機制造中較多采用鈦合金,如Ti-6Al-4V鈦合金用于制造高強度/重量比率、耐熱、耐疲勞和耐腐蝕的零部件。但在這些鈦合金的加工制造中,傳統工藝方法有許多難以克服的弱點,如生產隔板是由數英寸厚和數十千克重的齒形合金板加工而成的,而獲得這些合金板成品需要一年以上。
 
因為難以加工,加工這種零件需要花費加工中心數百小時的工作量,磨損大量的刀具。而激光熔覆技術在這方面具有較大優勢,可以強化鈦合金表面、減少制造時間。    
激光熔覆是現代工業應用潛力最大的表面改性技術之一,具有顯著的經濟價值。20世紀80年代初,英國Rolls•Royce公司采用激光熔覆技術對RB211渦輪發動機殼體結合部位進行硬面熔覆,取得了良好效果。表2所示是激光熔覆在航空制造中應用的幾個實例。
 
 
近年來,美國AeroMet公司的研發有了實質性的進展,他們生產的多個系列Ti-6Al-4V鈦合金激光熔覆成形零件已獲準在實際飛行中使用。其中F-22戰機上的2個全尺寸接頭滿足疲勞壽命2倍的要求,F/A-18E/F的翼根吊環滿足疲勞壽命4倍的要求,而升降用的連接桿滿足飛行要求、壽命超出原技術要求30%。采用激光熔覆技術表面強化制造的鈦合金零部件不僅性能上超出傳統工藝制造的零件,同時由于材料及加工的優勢,生產成本降低20%~40%,生產周期也縮短了約80%。
 
航空零部件修復中的應用
 
激光熔覆技術對飛機的修復產生了直接的影響,優點包括修復工藝自動化、低的熱應力和熱變形等。由于人們期待飛機壽命不斷延長,需要更加復雜的修復和檢修工藝。渦輪發動機葉片、葉輪和轉動空氣密封墊等零部件,可以通過表面激光熔覆強化得到修復。例如,用激光熔覆技術修復飛機零部件中裂紋,一些非穿透性裂紋通常發生在厚壁零部件中,裂紋深度無法直接測量,其他修復技術無法發揮作用??刹捎眉す馊鄹布夹g,根據裂紋情況多次打磨、探傷,將裂紋逐步清除,打磨后的溝槽用激光熔覆添加粉末的多層熔覆工藝填平,即可重建損傷結構,恢復其使用性能。    
 
激光熔覆發動機渦輪葉片用到的基體材料和合金粉末見表3。用于熔覆的粉末粒子成球狀,尺寸小于150μm。不同合金粉末的熔覆層要選用不同的工藝參數,以獲得最佳的熔覆效果。
 
 
把受損渦輪葉片頂端修覆到原先的高度。激光熔覆過程中,激光束在葉片頂端形成很淺的熔深,同時金屬粉末沉積到葉片頂端形成焊道。在計算機數值控制下,焊道層疊使熔覆層增長。與激光熔覆受損葉片不同的是,手工鎢極氬弧堆焊的葉片堆焊后的葉片必須進行額外的后處理。葉片頂端要進行精密加工以露出冷卻過程中形成的空隙,而激光熔覆省去了這些加工過程,大大縮減了時間和成本。  
 
在航空領域,航空發動機的備件價格很高,因此在很多情況下備件維修是比較合算的。但是修復后零部件的質量必須滿足飛行安全要求。例如,航空發動機螺旋槳葉片表面出現損傷時,必須通過一些表面處理技術進行修復。激光熔覆技術可以很好的用于飛機螺旋槳葉片激光三維表面熔覆修復。    
 
 
圖1所示的航空發動機葉片是經過激光修復的。熔覆材料(合金粉末)為Inconel 625(Cr-Ni-Fe 625合金粉末),葉片材料為Inconel 713。通過金相方法檢測熔覆層的截面可以發現,激光熔覆后在葉片基體材料和熔覆層之間形成了一個冶金結合的熔覆過渡區。
 

圖1
 
熔覆區在激光束和送粉系統的作用下形成,基體材料和合金粉末決定了表面熔覆層的性質。激光直接照射在基體表面形成了一個熔池,同時合金粉末被送到熔池表面。氬氣在激光熔覆的過程中也被送入熔池處以防止基體表面發生氧化。形成的熔池在基體表面,如果合金粉末和基體表面都是固態,合金粉末粒子接觸到基體表面時會被彈出,不會黏著在基體表面發生熔覆;如果基體表面是熔池狀態,合金粉末粒子在接觸到基體表面時就會被黏著,同時在激光束作用下發生激光熔覆現象,形成熔覆帶。圖2所示是用激光熔覆技術修復的渦輪葉片。
 
圖2
 
激光熔覆層的耐磨性與硬度成正比。熔覆層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和抗疲勞性能一般難以兼顧。通過激光熔覆工藝可以改善基體表層的顯微組織和化學成分。    
 
激光熔覆工藝與鎢極氬弧焊(TIG)熔覆工藝相比有很大的優勢。激光熔覆層的性質取決于熔覆合金元素的比例。為了達到最好的預期效果,須盡可能地避免基體材料的稀釋作用,因為熔覆層的硬度和基體材料的稀釋成反比。在Inconel 792合金表面,分別采用激光熔覆和鎢極氬弧焊熔覆Rene142合金粉末,顯微硬度的比較如圖3所示。
 
 
 
從圖3中可見,激光熔覆產生的強化表層硬度比鎢極氬弧焊熔覆的表面硬度要高,其原因在于激光熔覆層的高凝固速度以及在溶池中產生的強對流效應。因此,激光熔覆技術相對鎢極氬弧焊熔覆在航空領域更具有應用價值。    
 
相關資料表明,采用激光熔覆技術修復后的航空部件強度可達到原強度的90%以上,更重要的是縮短了修復時間,解決了重要裝備連續可靠運行所必須解決的轉動部件快速搶修難題。
      
航空材料表面改性中的應用
 
1.激光熔覆高硬度、耐磨和耐高溫涂層
 
為了防止在高速、高溫、高壓和腐蝕環境下工作的零部件因表面局部損壞而報廢,提高零部件的使用壽命,世界各國都在致力于研發各種提高零件表面性能的技術。傳統的表面改性技術(如噴涂、噴鍍、堆焊等)由于層間結合力差和受固態擴散差的限制,應用效果并不理想。大功率激光器和寬帶掃描裝置的出現,為材料表面改性提供了一種新的有效手段。激光熔覆是經濟效益高的新型表面改性技術,它可以在廉價、低性能基材上制備出高性能的熔覆層,從而降低材料成本,節約貴重的稀有金屬,提高金屬零件的使用壽命。   
 
現代飛機制造中大量使用鈦合金和鋁合金,例如美國的第四代戰機F-22機體鈦合金的使用量已達到41%,而美國先進的V2500發動機鈦合金的用量也達到了30%左右。鈦及鈦合金具有高比強度、優良的耐腐蝕、良好的耐高溫性能,可以減輕機體重量、提高推重比。
 
鈦合金的缺點是硬度低、耐磨性差。純鈦的硬度為150~200HV,鈦合金通常不超過350HV。在很多情況下,由于鈦及鈦合金表面會生成一層致密的氧化膜從而起到防腐蝕的作用,但是在氧化膜破裂、環境惡劣或發生縫隙腐蝕時,鈦合金的耐腐蝕性能將大大降低。    
 
2000年首飛的美國F-35戰機上鋁合金總用量在30%以上。但是鋁合金的強度不夠高,使用時易生產塑性變形,特別是鋁合金表面硬度低、耐磨性很差,在某種程度上制約了它的應用。
 
經過激光熔覆的鈦合金表面顯微硬度為800-3000HV。用激光熔覆技術對鋁合金表面進行表面強化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問題的有效方法。與其他表面強化方法相比,該方法強化層與鋁基體之間具有冶金結合特點,結合強度高。熔覆層的厚度達到1~3mm,組織非常細小,熔覆層的硬度高、耐磨性好,并具有較強的承載能力,從而避免了軟基體與強化層之間應變不協調而產生裂紋。另外,在鈦合金、鋁合金表面熔覆高性能的陶瓷涂層,材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。  
 
2.激光熔覆獲得熱障涂層
   
近年來,航空發動機燃氣渦輪機向高流量比、高推重比、高進口溫度的方向發展,燃燒室的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高,例如軍用飛機發動機渦輪前溫度已達1800℃,燃燒室溫度達到2000℃~2200℃,這樣高的溫度已超過現有高溫合金的熔點。除了改進冷卻技術外,在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層(Thermal Bamer Coating,TBCs)也是很有效的手段,它可達到1700℃或更高的隔熱效果,以滿足高性能航空發動機降低溫度梯度、熱誘導應力和基體材料服役穩定性的要求。20世紀70年代陶瓷熱障涂層(TBCs)被成功用于J-75型燃氣輪機葉片,世界各國投入巨資對其從材料到制備工藝展開了深入的研究。   
 
20世紀80年代以來,在材料表面激光熔覆陶瓷層獲得了致密的柱體晶組織,提高了應變容限;致密、均勻的激光重熔組織以及較低的氣孔率可降低粘結層的氧化率,阻止腐蝕介質的滲透??衫么蠊β始す馄髦苯虞椛涮沾苫蚪饘俜勰?,將其熔化后在金屬表面形成冶金結合,得到垂直于表面的柱狀晶組織。由于熔覆層凝固的次序由表到里,表層組織相對細小,這樣的結構有利于緩和熱應力,例如用激光熔敷方法得到了8%(質量分數)氧化釔部分穩定氧化鋯(YPSZ)熱障涂層。
 
也可將混合均勻的粉末置于基體上,利用大功率激光器輻射混合粉末,通過調節激光功率、光斑尺寸和掃描速度使粉末熔化良好、形成熔池,在此基礎上進一步通過改變成分向熔池中不斷加入合金粉末,重復上述過程,即可獲得梯度涂層。   
 
關鍵部件表面通過激光熔覆超耐磨抗蝕合金,可以在零部件表面不變形的情況下提高零部件的使用壽命、縮短制造周期。激光熔覆生產的熱障涂層有良好的隔熱效果,可以滿足高性能航空發動機降低溫度梯度、熱誘導應力和基體材料服役穩定的要求。  
 
結束語
    
激光熔覆技術對航空工業的發展有著舉足輕重的作用。激光熔覆技術可以提高飛機零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蝕和抗疲勞等性能,提高材料的使用壽命,還可以用于磨損零部件的修復處理,節約加工成本。激光溶覆技術應用于飛機零部件的制造,可以減少工件制造工序、提高零部件質量。隨著當今科技的進步,飛機整體性能將進一步提高,對材料的要求也越來越高。激光熔覆技
術的進一步完善和發展對航空業的技術進步具有重要的作用,航空材料將隨著激光熔覆技術的發展呈現嶄新的面貌。
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