激光加工技术在航空工业中的应用六角法兰
2022-10-20 13:51:48 季通五金网
激光加工技术在航空工业中的应用
激光加工技术在航空工业中的应用 2011： 铝合金表面修复 铝及其合金表面自然形成一层强韧性的氧化膜，由此造成在实际焊接过程中很难防止暴露区域的氧化行为。电阻点焊焊接铝合金也是非常困难的，尽管该技术可以实现铝合金的焊接，因为表面氧化膜的存在导致表面电阻发生变化[12]。与铁不同，铝只有一种同素异形体，这样在冷却时就无相转变发生而造成显微结构的变化。铝合金强化的方式主要有变形强化、固溶强化和析出强化。常规焊接方法一般会在焊接时由于热输入的热量会恶化变形强化或析出强化的铝合金。 弧焊和点焊是铝合金焊接中较常采用的焊接技术。最近由于激光技术的迅速发展，激光焊接技术得到迅猛的发展并在铝合金的焊接上的应用越来越广泛。然后，由于铝合金种类的不同而存在不同的问题。如，有研究表明在焊接AA6xxx系列铝合金由于存在较大的凝固温度区间而极易形成诸如裂纹等缺陷，在焊接AA5083时由于Mg含量在3~6%之间极易形成疏松缺陷。以上缺点的存在，导致铝合金的激光焊接比较于钢铁材料的焊接而言要复杂得多。
图1 航空发动机上铸造Al合金表面的气孔缺陷
而且，氧与铝之间的高活性会导致铝合金产品在铸造过程中极易发生疏松和气孔等缺陷，如图1为某型号发动机铸造件表面上形成的缩孔，图2为ZL104铝合金中形成的疏松缺陷。疏松和气孔的存在会严重降低制件的服役性能，甚至造成事故。但由于这些铝合金制件多为薄壁件且一般已经加工成成品，常规的焊补手段很难做到对基材不产生热损伤。而金属医生技术却可以很好的解决这一问题。
图2 ZL104合金上形成的疏松
如今我们采用金属医生技术对多种航空航天、汽车、电机等上使用的铝合金部件的疏松、气孔和表面裂纹等缺陷进行了修复。经过装机使用，效果非常好。图3为我们在某航空发动机部件上使用金属医生技术进行修复后的截面图。
图3 Al-Si合金表面的HEMAA涂层
钛合金的表面渗碳、渗氧强化和修复 钛及其合金由于其突出的综合性能而广泛应用于航空航天、化学、汽车制造以及核工业领域。但钛合金由于不耐磨，因此需要进行表面渗碳处理以提高其表面耐磨性。 常规渗碳方法有电镀、渗碳炉渗碳、放电加工、ＰＶＤ、ＣＶＤ等方法，但这些方法均没有易加工、处理温度低、可高速以及大面积处理等优点。采用电火花渗碳形成渗碳层，其渗层深约５μｍ，经电子探针和Ｘ射线分析确认是碳向钛基体梯度渗入生成的ＴｉＣ层。该方法属于扩散处理的一种，得到的硬化层与涂层处理得到的硬质层不同，具有与一般的梯度膜同样良好的致密性，硬度为Ｈｖ２２００ 基材约为Ｈｖ２００。经摩擦实验发现，电火花加工处理可降低钛的摩擦系数，提高耐磨性。另外，经处理的表面耐盐水和硫酸的腐蚀性能也优于纯钛。 另外，我们还对飞机的钛合金防冰壳体、铁基高温合金以及镁合金零部件进行了电火花强化处理。表面渗碳 钛合金在制作成转动部件后进行应用非常具有吸引力，如汽车的阀门、化工用的泵阀以及飞机使用的部件。然而钛合金的耐磨性非常差，因为它在运动过程中极易发生粘着磨损。 钛及钛合金的渗碳可以在非氧化性气氛的环境下实现。根据Ti-C相图可以发现，Ti-C相图有别于Ti-O相图与Ti-N相图，C在Ti中的固溶度非常小。TiC化合物的厚度一般在1～10μm。但一旦TiC形成后，再形成更深的渗碳层就非常不容易。渗碳温度一般在1050℃的温度下进行，同时需要有渗碳介质存在才能完成渗碳过程。 图4为Ti-C相图。其中γ相为TiC1-x，此处x在一定范围内变化。
图4 Ti-C相图
传统的渗碳处理工艺是不能完成对指定区域的渗碳。而金属医生恰好可以实现在常温下对指定区域的渗碳。
图5 TC4钛合金表面渗碳层的显微硬度
钛合金表面的渗碳实验采用碳棒作电极，钛合金作为基体材料。图5为渗碳结束后得到的硬度分布曲线，表层的显微硬度可以到达Hv1500，由表及里存在梯度逐渐降低到基材的位置。在合金化过程中将发生如下化学反应过程： C+α―Ti→αTi(C) (1)C+Ti→TiC (2)如今该工艺已经成功的应用到化工厂阀门表面的渗碳和某型号飞机用钛合金部件的表面强化处理上。图6即为我们对某化工厂阀门表面进行渗碳处理的实物图，图7中黑色区域即为渗碳强化处理区域。钛合金耐磨件的表面渗氧强化钛合金的表面渗碳、渗氮由于处理时间长、温度高，对钛合金耐磨件的损伤比较大，限制了该工艺的应用。而钛合金金的表面渗氧不仅处理时间短，而且处理温度还低于渗碳、渗氮温度，处理后硬度可以达到HV500-800（相当于于HRC50-80）。应用前景广阔，在进口飞机件的国产化上得到应用。
图6 采用金属医生进行合金化渗碳处理的阀门（黑色区域为处理部位）
钛合金的修复 航空航天部件上使用的钛合金基本上是采用热处理强化的高强度钛合金进行制造的。这些部件由于在操作运转、腐蚀、磨擦等工况的作用发生磨损和损伤。然而，每年均有大量昂贵的鱼雷、药筒以及刮伤的钛合金部件由于摩擦而表面形成缺陷需要修复。同时有一部分钛合金存在铸造缺陷需要进行修复。一部分钛合金部件可以采用传统的焊接技术进行修复。由于传统的焊接方法会对基材产生大量的热损伤，而且这种热损伤常常是有害的，会造成部件的变形、腐蚀敏感性增强、热影响区的强度下降、吸氢/氮/氧等后果。而且，一些高强钛合金如武器或飞机发动机上使用的Ti-6A-2Sn-4Zr-6Mo合金、被认为是不可焊合金。基于以上原因，这些部件的修复一般不考虑采用常规的焊接技术进行修复的办法。图7为由于磨损和龟裂造成的缺陷。图8为在Ti6Al4V基材上进行金属医生后得金相照片。
图7 磨损与减尺后的Ti6Al4V-涡轮销轴
图8在Ti6Al4V表面上制备出的金属医生涂层
(end)