模具激光焊接

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激光修複技術在我國航空發動機維護中的應用

2018-09-26

一、概述


激光熔敷( 焊) 技術的特點是:可以實現熱輸入的準確控製,焊接速度高,冷卻速度快,熱畸變小,厚度、成分和稀釋率可控性好,可以獲得組織致密、性能優越的堆敷熔焊層,可以節省高性能的材料。另外,可以實現在普通材料上覆蓋高性能( 耐磨、耐高溫、耐蝕等) 堆焊層,而且激光加工為無接觸加工,無加工慣性,且焊接參數一經確定,焊接質量易於保證,焊接可靠性高,故易於實現自動化焊接,符合現代生產的發展趨勢,在經濟上和敷層質量上也優於傳統的堆焊和熱噴塗工藝。


激光熔敷( 焊) 技術能用於高溫合金、鈦合金、鎂合金和合金鋼零件的表麵局部強化,修複零件磨損表麵,消除零件的鑄造缺陷,愈合零件服役產生的早期熱裂紋。目前世界發達國家都將激光加工技術廣泛應用於航空發動機的製造和修複過程。在中國,自1990 年起激光熔敷技術就開始應用於航空發動機生產,當時主要解決某航空發動機渦輪轉子葉片葉尖磨短接長問題,經過十多年的發展,激光熔敷技術已經用在各種航空發動機葉片與部件的強化與修複上。


二、鎳基高溫合金的激光熔敷( 焊)


鎳基高溫合金是航空發動機上廣泛使用的一類材料,隨著Al 、Ti 含量增加,二次強化相Ni3( Al ,Ti) 體積百分數增加,合金的高溫強度增加。現代高性能的航空發動機渦輪葉片、導向器等熱端部件都是由高Al + Ti鎳基高溫合金製成的,如Rene125 、DZ22 、DZ125 、ЖС6 У、K24 及K418 。這些高溫合金部件製造時選用了優良的耐高溫合金材料和先進的鑄造成型工藝,生產成本高、造價昂貴。然而,這些部件服役時受高溫、高壓和腐蝕性燃氣作用,常常出現各種早期損傷,嚴重影響發動機的安全和性能。為此將那些因早期損傷而報廢的部件翻新再用是極具吸引力的事情。然而,高Al + Ti 鎳基高溫合金由於含有大量的Ni 3 ( Al ,Ti) 相,熱裂紋敏感性很高,在焊接和焊後過程中容易產生凝固裂紋、晶界液化裂紋和應變時效裂紋,這就給熔焊帶來了極大的困難。


十餘年來中國科學院金屬研究所激光表麵改性實驗室在國家重點軍工項目支持下,在高溫合金的激光熔敷方麵進行了比較多的基礎實驗研究與工程應用。試驗表明,高Al + Ti 鎳基超合金的激光熔焊與熔敷,是工藝性很強的修複係統工程,涉及到激光輻照前後的熱處理與表麵處理,激光束能的控製輻照與輻射方式,表麵預塗材料與填補材料,防氧化保護與基材溫度控製以及修複質量的檢測性能評價等。一些不可焊的部件,通過局部焊接改變工藝而得到修複。激光熔焊與熔敷技術的多項國家發明專利,為我國新型航空發動機和國外進口航空發動機研製、生產與修複方麵解決了許多重大關鍵問題。本文作為拋磚引玉之目的,列出如下主要的激光熔敷應用工作:

1. 葉片葉尖的激光仿形熔鑄接長修複


航空發動機高壓渦輪I 級葉片,在高溫高速工作條件下,熱膨脹伸長和湍流震動以及外封嚴環上的燃灰沉積等原因均會引起葉片與封嚴環的接觸磨損,從而導致葉片葉尖磨短。據計算,葉片葉尖每磨短0. 1 mm,燃氣溫度升高10 ℃。某新型高推比發動機驗證機的葉片葉尖被磨短0. 7 ~1. 2 mm 左右,溫升達100 ℃ 左右,由此引起葉片及其熱端部件熱損傷,發動機的動力性能下降,更換新葉片不僅價格昂貴而且很難及時獲得。采用激光仿形熔鑄技術可以將磨短葉尖接長。圖1 為葉片激光仿形熔鑄接長示意圖。


采用激光仿形熔鑄技術成功地解決了許多技術難題。例如,將磨短的高壓一級葉片接長2 ~3mm,及時確保了國家重大工程順利試車達標; 使T700 黑鷹戰機一級轉子葉片葉尖燒蝕區變形得到修複; 將海軍在役的WPX 一級到二級和WPX 二級渦輪葉片端部接長0. 6mm,現已飛行200h 以上。到目前,已實現批量接長修複。


2. 葉片冠部阻尼麵的激光敷層強化與修複


航空發動機帶冠轉子葉片聯鎖麵在高溫燃氣和高速轉動運行的工況下,會發生嚴重的高溫腐蝕和微振磨損使本來裝配緊密的葉片發生嚴重的鬆動,由此引起燃氣油漏和葉片的擺動,使葉片根部遭受到很大的扭彎應力至斷裂,為此葉片聯鎖麵必須施加防蝕抗磨塗層來強化。采用激光熔敷稀土改性的鈷基合金粉末可以實現阻尼麵強化和恢複磨損的阻尼麵構形。圖2 為低壓渦輪葉片阻尼麵激光熔敷鈷基塗層的典型形貌及顯微硬度分布。


采用此技術為8000 隻國產新型航空發動機的葉冠阻尼麵做了硬麵敷層處理。此外,WSXX、WPXXB、WPXXF、WPXX 與WPX 等多種型號發動機帶冠葉片的阻尼麵葉也都利用此技術進行了表麵強化處理,獲得了十分滿意的效果; 海軍用WPX 係列發動機一級渦輪葉片平形冠阻尼麵的磨蝕減尺超差,均通過應用此技術獲得成功的修複。

3. 葉片三維空間缺陷的激光顯微積分重建


激光修複公司稱渦輪葉片和導向葉片上的熱裂紋、鑄造缺陷等處於不規則的立體空間,與葉尖激光仿形熔鑄接長和阻尼麵激光敷層強化這種二維平麵加工相比,對於激光加工工藝的要求更高。激光顯微積分焊是利用激光粉末多層熔敷的原理,采用小功率的Nd:YAG 激光束按優化路徑多次輻照使粉末體熔化凝固,道與道、層與層之間冶金累積,直至填滿整個三維空間區。一個大的具有三維邊界的熔鑄空間是由許多微小的熔敷點構成的,如一個積分過程。與二維平麵的激光熔敷不同,三維空間的激光顯微積分焊是在約束情況下進行的,可以看作是激光熔敷和激光焊接的複合過程。該工藝的主要特點是:輸入基材熱量少,能夠獲得內應力最小、空間冶金結合界麵、缺陷最少的熔鑄重建層。當基材為熱裂紋敏感性很高的高Al + Ti 鎳基高溫合金材料時,激光顯微積分焊可有效地減少和避免裂紋的產生。圖3 為ЖС6У合金高壓渦輪葉片三維空間激光顯微熔鑄鎳基合金組織形貌。


采用激光顯微積分焊技術成功地修複了某進口航空發動機高壓渦輪葉片葉尖裂紋,修複的葉片通過了發動機地麵台架長期試車考核,目前已進入批量修複階段。另外,整體導向器鑄造缺陷是一個非常棘手的問題,采用此技術成功地修複了某新型直升發動機K6C 合金整體導向器精鑄件十餘個


三、鈦合金件激光熔敷焊


高性能航空發動機的鈦合金件的使用越來越多,但是鈦合金由於其耐磨性和抗機械疲勞性較差,而易產生磨損與疲勞裂紋。某飛機的BT20 合金防冰殼體內壁與其配合件之間發生微振磨損,導致其配合密封麵發生台階式磨損溝槽而失效,如圖4a 所示。采用鈦合金高純淨激光熔敷焊一整套工藝方法,可使壁厚僅有2.0mm的殼體得到無變形修複,其補焊區為冶金結合,組織均勻致密,如圖4b 所示。


鈦合金高純淨激光熔敷焊技術已經成功應用於航空發動機部件的再製造上,目前已修複某進口發動機中介機匣數個,防冰殼體和杯形件數百個。


四、鎂合金件激光熔敷


眾所周知,鎂合金的焊接關鍵問題是易氧化、氣化、熱裂紋和變形大( 膨脹係數大) 等,采用氬弧焊等工藝可以對鎂合金毛坯料進行焊補,但對於已加工到位的成品件與返修件的焊補修複是很困難的,往往不可實現。研究采用脈衝激光預置和電火花快速焊補方法可以實現工件無變形修複。航空發動機鎂合金件在服役中的主要損傷失效是電化學腐蝕,如WPX 前支撐殼體,材料是ZM2 鎂合金,在所有與緊固螺栓墊片接觸區域均發生了電偶腐蝕坑。鎂合金在鑄造生產時常發生的缺陷是疏鬆、夾雜與熱裂紋。我國研製的昆侖號發動機ZM5鎂合金附件機匣成品件存在鑄造疏鬆引起打壓漏油。采用激光熔敷法修複後組織致密,無任何顯微缺陷,與基體冶金結合良好,如圖5 所示。


五、結語


隨著激光熔敷( 焊) 技術的進一步發展,以及航空製造業對其認知度的不斷提高,激光熔敷焊技術必將在航空發動機製造和再製造中得到更廣泛的應用。

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