激光熔覆技術(shù)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(guān)激光熔覆的研究主要集中在工藝開(kāi)發(fā)、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(jié)合和性能測(cè)試等方面。
圖1
航空領(lǐng)域是關(guān)系到國(guó)家安全的重要領(lǐng)域，也是國(guó)家重點(diǎn)支持的戰(zhàn)略行業(yè)。如何將激光熔覆技術(shù)更好的運(yùn)用于我國(guó)的航空制造具有極為重要的戰(zhàn)略意義。航空材料是武器裝備研發(fā)與生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和科技先導(dǎo)，強(qiáng)化航空材料基體硬度和耐磨性能對(duì)于航空材料的改進(jìn)具有極為重要的意義。如大功率激光器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，為航空材料表面改性提供了新的手段，也為材料表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展開(kāi)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(xué)穩(wěn)定性，因此可以針對(duì)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(diǎn)，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(yōu)異的耐磨、耐蝕性能與金屬材料的高性、高韌性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可大幅度提高航空零件的使用壽命。
飛機(jī)零件制造中的應(yīng)用
飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金構(gòu)件除了在工作狀態(tài)下承受載荷外，還會(huì)因發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/停車(chē)循環(huán)形成熱疲勞載荷，在交變應(yīng)力和熱疲勞雙重作用下，產(chǎn)生不同程度的裂紋，嚴(yán)重影響機(jī)體或發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)的表面強(qiáng)化方式，發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)，使之得以更廣泛的應(yīng)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(fù)合化合物是應(yīng)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(dú)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(yōu)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(guò)渡層材料（如NiCr、NiAl、NiCrAl、Mb等），然后用脈沖激光熔覆，使過(guò)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(kuò)散到陶瓷層中，進(jìn)而改善涂層的結(jié)構(gòu)和性能。將陶瓷涂層激光熔覆用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片是一項(xiàng)很有應(yīng)用價(jià)值的高新技術(shù)，常用的激光熔覆材料見(jiàn)表1。
飛機(jī)制造中較多采用鈦合金，如Ti-6Al-4V鈦合金用于制造高強(qiáng)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(tǒng)工藝方法有許多難以克服的弱點(diǎn)，如生產(chǎn)隔板是由數(shù)英寸厚和數(shù)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?yàn)殡y以加工，加工這種零件需要花費(fèi)加工中心數(shù)百小時(shí)的工作量，磨損大量的刀具。而激光熔覆技術(shù)在這方面具有較大優(yōu)勢(shì)，可以強(qiáng)化鈦合金表面、減少制造時(shí)間。
激光熔覆是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用潛力最大的表面改性技術(shù)之一，具有顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。20世紀(jì)80年代初，英國(guó)Rolls•Royce公司采用激光熔覆技術(shù)對(duì)RB211渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)殼體結(jié)合部位進(jìn)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(yīng)用的幾個(gè)實(shí)例。
近年來(lái)，美國(guó)AeroMet公司的研發(fā)有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，他們生產(chǎn)的多個(gè)系列Ti-6Al-4V鈦合金激光熔覆成形零件已獲準(zhǔn)在實(shí)際飛行中使用。其中F-22戰(zhàn)機(jī)上的2個(gè)全尺寸接頭滿足疲勞壽命2倍的要求，F(xiàn)/A-18E/F的翼根吊環(huán)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(shù)要求30%。采用激光熔覆技術(shù)表面強(qiáng)化制造的鈦合金零部件不僅性能上超出傳統(tǒng)工藝制造的零件，同時(shí)由于材料及加工的優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)成本降低20%～40%，生產(chǎn)周期也縮短了約80%。
航空零部件修復(fù)中的應(yīng)用
激光熔覆技術(shù)對(duì)飛機(jī)的修復(fù)產(chǎn)生了直接的影響，優(yōu)點(diǎn)包括修復(fù)工藝自動(dòng)化、低的熱應(yīng)力和熱變形等。由于人們期待飛機(jī)壽命不斷延長(zhǎng)，需要更加復(fù)雜的修復(fù)和檢修工藝。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、葉輪和轉(zhuǎn)動(dòng)空氣密封墊等零部件，可以通過(guò)表面激光熔覆強(qiáng)化得到修復(fù)。例如，用激光熔覆技術(shù)修復(fù)飛機(jī)零部件中裂紋，一些非穿透性裂紋通常發(fā)生在厚壁零部件中，裂紋深度無(wú)法直接測(cè)量，其他修復(fù)技術(shù)無(wú)法發(fā)揮作用。可采用激光熔覆技術(shù)，根據(jù)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(jié)構(gòu)，恢復(fù)其使用性能。
激光熔覆發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片用到的基體材料和合金粉末見(jiàn)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(shù)，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(guò)程中，激光束在葉片頂端形成很淺的熔深，同時(shí)金屬粉末沉積到葉片頂端形成焊道。在計(jì)算機(jī)數(shù)值控制下，焊道層疊使熔覆層增長(zhǎng)。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(jìn)行額外的后處理。葉片頂端要進(jìn)行精密加工以露出冷卻過(guò)程中形成的空隙，而激光熔覆省去了這些加工過(guò)程，大大縮減了時(shí)間和成本。
在航空領(lǐng)域，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的備件價(jià)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(fù)后零部件的質(zhì)量必須滿足飛行安全要求。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳葉片表面出現(xiàn)損傷時(shí)，必須通過(guò)一些表面處理技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。激光熔覆技術(shù)可以很好的用于飛機(jī)螺旋槳葉片激光三維表面熔覆修復(fù)。
圖1所示的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是經(jīng)過(guò)激光修復(fù)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(guò)金相方法檢測(cè)熔覆層的截面可以發(fā)現(xiàn)，激光熔覆后在葉片基體材料和熔覆層之間形成了一個(gè)冶金結(jié)合的熔覆過(guò)渡區(qū)。
圖1
熔覆區(qū)在激光束和送粉系統(tǒng)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(zhì)。激光直接照射在基體表面形成了一個(gè)熔池，同時(shí)合金粉末被送到熔池表面。氬氣在激光熔覆的過(guò)程中也被送入熔池處以防止基體表面發(fā)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(tài)，合金粉末粒子接觸到基體表面時(shí)會(huì)被彈出，不會(huì)黏著在基體表面發(fā)生熔覆；如果基體表面是熔池狀態(tài)，合金粉末粒子在接觸到基體表面時(shí)就會(huì)被黏著，同時(shí)在激光束作用下發(fā)生激光熔覆現(xiàn)象，形成熔覆帶。圖2所示是用激光熔覆技術(shù)修復(fù)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(guò)激光熔覆工藝可以改善基體表層的顯微組織和化學(xué)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(yōu)勢(shì)。激光熔覆層的性質(zhì)取決于熔覆合金元素的比例。為了達(dá)到最好的預(yù)期效果，須盡可能地避免基體材料的稀釋作用，因?yàn)槿鄹矊拥挠捕群突w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(jiàn)，激光熔覆產(chǎn)生的強(qiáng)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(chǎn)生的強(qiáng)對(duì)流效應(yīng)。因此，激光熔覆技術(shù)相對(duì)鎢極氬弧焊熔覆在航空領(lǐng)域更具有應(yīng)用價(jià)值。
相關(guān)資料表明，采用激光熔覆技術(shù)修復(fù)后的航空部件強(qiáng)度可達(dá)到原強(qiáng)度的90％以上，更重要的是縮短了修復(fù)時(shí)間，解決了重要裝備連續(xù)可靠運(yùn)行所必須解決的轉(zhuǎn)動(dòng)部件快速搶修難題。
航空材料表面改性中的應(yīng)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(huán)境下工作的零部件因表面局部損壞而報(bào)廢，提高零部件的使用壽命，世界各國(guó)都在致力于研發(fā)各種提高零件表面性能的技術(shù)。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)（如噴涂、噴鍍、堆焊等）由于層間結(jié)合力差和受固態(tài)擴(kuò)散差的限制，應(yīng)用效果并不理想。大功率激光器和寬帶掃描裝置的出現(xiàn)，為材料表面改性提供了一種新的有效手段。激光熔覆是經(jīng)濟(jì)效益高的新型表面改性技術(shù)，它可以在廉價(jià)、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(jié)約貴重的稀有金屬，提高金屬零件的使用壽命。
現(xiàn)代飛機(jī)制造中大量使用鈦合金和鋁合金，例如美國(guó)的第四代戰(zhàn)機(jī)F-22機(jī)體鈦合金的使用量已達(dá)到41%，而美國(guó)先進(jìn)的V2500發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金的用量也達(dá)到了30%左右。鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕、良好的耐高溫性能，可以減輕機(jī)體重量、提高推重比。
鈦合金的缺點(diǎn)是硬度低、耐磨性差。純鈦的硬度為150～200HV，鈦合金通常不超過(guò)350HV。在很多情況下，由于鈦及鈦合金表面會(huì)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(huán)境惡劣或發(fā)生縫隙腐蝕時(shí)，鈦合金的耐腐蝕性能將大大降低。
2000年首飛的美國(guó)F-35戰(zhàn)機(jī)上鋁合金總用量在30%以上。但是鋁合金的強(qiáng)度不夠高，使用時(shí)易生產(chǎn)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(yīng)用。
經(jīng)過(guò)激光熔覆的鈦合金表面顯微硬度為800-3000HV。用激光熔覆技術(shù)對(duì)鋁合金表面進(jìn)行表面強(qiáng)化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問(wèn)題的有效方法。與其他表面強(qiáng)化方法相比，該方法強(qiáng)化層與鋁基體之間具有冶金結(jié)合特點(diǎn)，結(jié)合強(qiáng)度高。熔覆層的厚度達(dá)到1～3mm，組織非常細(xì)小，熔覆層的硬度高、耐磨性好，并具有較強(qiáng)的承載能力，從而避免了軟基體與強(qiáng)化層之間應(yīng)變不協(xié)調(diào)而產(chǎn)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(lái)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，燃燒室的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?，例如軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已達(dá)1800℃，燃燒室溫度達(dá)到2000℃～2200℃，這樣高的溫度已超過(guò)現(xiàn)有高溫合金的熔點(diǎn)。除了改進(jìn)冷卻技術(shù)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(dá)到1700℃或更高的隔熱效果，以滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定性的要求。20世紀(jì)70年代陶瓷熱障涂層（TBCs）被成功用于J-75型燃?xì)廨啓C(jī)葉片，世界各國(guó)投入巨資對(duì)其從材料到制備工藝展開(kāi)了深入的研究。
20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(yīng)變?nèi)菹?；致密、均勻的激光重熔組織以及較低的氣孔率可降低粘結(jié)層的氧化率，阻止腐蝕介質(zhì)的滲透?？衫么蠊β始す馄髦苯虞椛涮沾苫蚪饘俜勰瑢⑵淙刍笤诮饘俦砻嫘纬梢苯鸾Y(jié)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(duì)細(xì)小，這樣的結(jié)構(gòu)有利于緩和熱應(yīng)力，例如用激光熔敷方法得到了8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）氧化釔部分穩(wěn)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(guò)調(diào)節(jié)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(chǔ)上進(jìn)一步通過(guò)改變成分向熔池中不斷加入合金粉末，重復(fù)上述過(guò)程，即可獲得梯度涂層。
關(guān)鍵部件表面通過(guò)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(chǎn)的熱障涂層有良好的隔熱效果，可以滿足高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定的要求。
結(jié)束語(yǔ)
激光熔覆技術(shù)對(duì)航空工業(yè)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。激光熔覆技術(shù)可以提高飛機(jī)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(fù)處理，節(jié)約加工成本。激光溶覆技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)零部件的制造，可以減少工件制造工序、提高零部件質(zhì)量。隨著當(dāng)今科技的進(jìn)步，飛機(jī)整體性能將進(jìn)一步提高，對(duì)材料的要求也越來(lái)越高。激光熔覆技
術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展對(duì)航空業(yè)的技術(shù)進(jìn)步具有重要的作用，航空材料將隨著激光熔覆技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)嶄新的面貌。
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