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激光熔覆技术应用于零部件修复

随着现代科学技术和工业不断发展,对零部件工作的环境也越来越趋于复杂化,表面性能的要求越来越高,因此零件报废率大大增多。通常因为表面失效而报废的零件有:转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。在零部件整体性能满足工况的条件下仅是表面损伤的零部件都是可以修复。如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复,不仅能够挽回巨大的经济和时间损失,还可以提高资源的利用率,符合我国可持续发展的战略。


目前零部件修复的方法有激光熔覆、真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护焊(TIG)和等离子体熔覆修复等方法 。激光熔覆是根据工件的工况要求,熔覆各种设计成分的金属或者非金属,制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。激光熔覆是一种快速冷却的过程,熔覆过程中对修复工件的热输入量少,热影响区小,熔覆层组织细小,易于实现自动化等,因此使用激光熔覆的方法来修复转子等零部件比其它的方法具有更大的优势。激光熔覆技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题,同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾,这就为表面修复提供了一个很好的途径。


本文综述了激光熔覆技术在表面修复中的应用,概括了国内外激光修复技术在不同零件和不同的失效情况上的研究发展,并对激光熔覆在表面修复中的应用前景进行了展望。


1 转子叶片的修复


转子叶片又称动叶,是随同转子高速旋转的叶片,通过叶片的高速旋转实现气流与转子间的能量转换。转子叶片承受很大的质量惯性力、较大的气动力和振动载荷,还要承受环境介质的腐蚀与氧化,以及高速运行微小粒子的冲蚀,但加工比较困难,涡轮转子叶片还要在高温状态下工作。转子叶片是直接影响发动机性能、可靠性和寿命的关键零件,并且其工作条件十分恶劣容易损坏,所以对材料性能的要求也大大的提高,同时提高了材料的经济成本,也为其做修复带来广阔的市场。激光熔覆工艺在转子叶片上的应用已经的到了很好的研究,这也为其在修复方面的应用提供了有利的前提。


1.1 航空发动机叶片的修复


目前航空发动机叶片大都采用铸造镍基高温合金和定向凝固镍基高温合金来制造。铸造镍基高温叶片和定向凝固叶片在生产过程中可能存在局部缺陷,如现缩松、缩孔等铸造缺陷。


激光熔覆具有局部加热和低热输入量等优点,同时,激光熔覆超高的温度梯度有利于材料的定向凝固生长 。因此国内外对激光熔覆技术修复高附加值的叶片开展了广泛的研究并在工业上已成功应用 。同时,对激光熔覆技术与堆焊、TIG焊和等离子体熔覆进行了比较研究。David W. Gandy等人的研究工作指出,在优化激光工艺条件下,实现了IN-738基体上激光熔覆逐层沉积IN-939,获得了质量良好的沉积层。德国Fraumhofer ILT 研究所对Ti-6Al-4V和Ti-17叶片进行了激光修复并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel 625 和Rene 142镍基高温合金进行激光熔覆修复叶片,指出激光熔覆层比TIG涂层具有较小的热影响区和稀释率,良好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。L.shepeleva等通过试验比较了叶片激光熔覆层和等离子体熔覆层的优劣,指出激光熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度,无裂纹和气孔,良好的结合界面。1981年Rolls-Royce公司对RB211飞机发动机高压叶片连锁。GE公司已将激光熔覆技术用于航空发动机镍基高温合金叶片的修复,并且获得了很好的效果。

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