航空航天

 2020-10-31

       激光熔覆是新型的局部表面處理方法,是未來工業應用潛力最大的表面改性技術之一,具有很大的技術經濟效益,在航空維修行業其應用大致體現在以下幾個方面:

       1、激光熔覆成型用于零件修復

       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。

航空發動機的渦輪葉片的工作條件非常惡劣,應此采用了性能優異但價格十分昂貴的鎳基和鈷基高溫合金材料及復雜的制造工藝,因而成本很高,如單個國產普通葉片的平均價格可達1萬多元,進口機型的某些葉片更是高達上萬美元。然而渦輪葉片由于受磨損、沖擊、高溫燃氣和冷熱疲勞等作用,易產生各種裂紋缺陷,因葉片材料和制造工藝的特殊性,裂紋修復十分困難,只是大量和葉片因無法修理而報廢,積極損失十分巨大。而激光熔覆技術可以很好的用于渦輪葉片的表面修復。

       下圖為激光熔覆應用與受損的渦輪葉片,把葉片頂端修補到原先的高度。熔覆過程中,激光束在葉片頂端形成很淺的熔池,同時金屬粉末沉積到葉片頂端形成焊珠。在電腦數值控制下,焊珠層迭,使熔覆層增長。圖為待打磨處理的葉片外觀形貌。作為對比,右圖給出了手工熔焊的葉片,它必須進行額外的后期處理。葉片頂端要進行放電加工以顯露出冷卻工程中形成的空隙,而激光熔覆省去了這些修補工作,從而大大減少了時間很成本。

       2、激光熔覆技術用于航空材料的表面改性

       許多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蝕性、耐沖擊性、抗氧化、耐熱性等都取決于金屬材料表面的物理、化學性質。導致飛機結構失效的主要原因腐蝕、磨損和疲勞破壞幾乎都是從零件的表面開始,逐漸而知損傷、破壞。現代飛機制造中大量使用鈦合金和鋁合金,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。 

       為了防止在高速、高溫、高壓、重載、腐蝕介質等環境下工作的零件不因便面的局部損壞而報廢,提高零件的可靠性,延長使用壽命,世界各國都在研究和應用各種提高零件表面性能的表面工程技術。傳統的表面改性技術,如各種噴涂層。鍍層等,由于較差的層間結合力以及受平衡溶解度小,及固態擴散性差的限制,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。在各類激光束處理中,激光熔覆是經濟效益較高的一種新的涂層表面改性技術,它可以在廉價基材上制備出高性能貴重的熔覆層表面,以降低材料成本,節約貴重稀有的金屬材料,降低能量消耗,提高金屬零件的使用壽命。激光熔覆裝置如圖所示,其中上圖所示的是同步送粉法,下圖為預置涂層法。

 

        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。