激光熔覆技术在航空维修中的应用

激光熔覆技术在航空维修中的应用
摘要：激光熔覆技术发展已近半个世纪，是材料表面改性技术中的一种重要的方法，随着大功率激光器的日益商业化，激光熔覆技术也得到了迅速发展，广泛应用于航天工业、汽车工业、模具等行业。

在航空维修领域中激光熔覆技术近年来得到了广泛的应用。

关键词：激光熔覆航空维修
1什么是激光熔覆技术
激光熔覆技术是指利用高能激光束，将具有不同成分、性能的材料与基材表面快速熔化、扩展并迅速凝固，形成了一层具有特殊物理、化学或力学性能的复合材料，从而获得本省所不具备的性能，如高硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及高温下的抗氧化性等。

这种复合材料具备了熔覆材料和基体二者的优势，弥补了相互间的不足。

采用该技术可使涂层与基体的结合方式由常规热处理中的机械结合变为冶金结合，从而更能胜任摩擦、磨损条件较为苛刻的场合。

2激光熔覆技术的优点
激光熔覆技术与各种常规表面处理技术，如涂料涂层、电镀、堆焊和等离子喷涂等相比，激光熔覆技术具有以下优点：
1）局部表层对基体的热影响很小，主要是因为激光作用，熔覆粉末和基体迅速熔覆。

容易实现小范围熔覆，且工件不易变形，熔覆成品率较高。

2）熔覆层晶粒细小且均匀弥散分布在基体中，熔覆层硬度很高，而且耐磨和耐腐蚀等性能强，从而大大提高材料表面的各种性能。

3）高能激光束在基体上作用的时间很短且熔覆层稀释度低，应此基材熔化量小。

如果把熔覆层的稀释率降到最低，可以得到性能良好的材料表面，从而达到低耗材高收益的效果。

4）选择作为熔覆层的粉末范围广泛，理论上几乎所有的金属、陶瓷材料都可通过激光熔覆将其熔覆到任何合金上，激光熔覆技术特别适用于低熔点金属表面熔覆高熔点合金。

5）激光熔覆技易是吸纳自动化，且熔覆层表面性能稳定，熔覆层成分和厚度都在可控制范围内。

光速瞄准，能够使难以接近的区域熔覆；工艺过程易于实现自动化。

3激光熔覆技术在航空维修中的实际应用
激光熔覆是新型的局部表面处理方法，是未来工业应用潜力最大的表面改性技术之一，具有很大的技术经济效益，在航空维修行业其应用大致体现在以下几个方面：
3.1激光熔覆成型用于零件修复
激光熔覆技术对飞机的修复产生了直接的影响，优点包括修复工艺自动化、低的热应力和热变形等。

由于人们期待飞机寿命不断延长，需要更加复杂的修复和检修工艺。

涡轮发动机叶片、叶轮和转动空气密封垫等零部件，可以通过表面激光熔覆强化得到修复。

例如，用激光熔覆技术修复飞机零部件中裂纹，一些非穿透性裂纹通常发生在厚壁零部件中，裂纹深度无法直接测量，其他修复技术无法发挥作用。

可采用激光熔覆技术，根据裂纹情况多次打磨、探伤，将裂纹逐步
清除，打磨后的沟槽用激光熔覆添加粉末的多层熔覆工艺填平，即可重建损伤结构，恢复其使用性能。

航空发动机的涡轮叶片的工作条件非常恶劣，应此采用了性能优异但价格十分昂贵的镍基和钴基高温合金材料及复杂的制造工艺，因而成本很高，如单个国产普通叶片的平均价格可达1万多元，进口机型的某些叶片更是高达上万美元。

然而涡轮叶片由于受磨损、冲击、高温燃气和冷热疲劳等作用，易产生各种裂纹缺陷，因叶片材料和制造工艺的特殊性，裂纹修复十分困难，只是大量和叶片因无法修理而报废，积极损失十分巨大。

而激光熔覆技术可以很好的用于涡轮叶片的表面修复。

图 1 为激光熔覆应用与受损的涡轮叶片，把叶片顶端修补到原先的高度。

熔覆过程中，激光束在叶片顶端形成很浅的熔池，同时金属粉末沉积到叶片顶端形成焊珠。

在电脑数值控制下，焊珠层迭，使熔覆层增长。

图为待打磨处理的叶片外观形貌。

作为对比，右图给出了手工熔焊的叶片，它必须进行额外的后期处理。

叶片顶端要进行放电加工以显露出冷却工程中形成的空隙，而激光熔覆省去了这些修补工作，从而大大减少了时间很成本。

图1 激光熔覆修复涡轮机叶片
3.2激光熔覆技术用于航空材料的表面改性
许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性、抗氧化、耐热性等都取决于金属材料表面的物理、化学性质。

导致飞机结构失效的主要原因腐蚀、磨损和疲劳破坏几乎都是从零件的表面开始，逐渐而知损伤、破坏。

据统计，美国空军每年用于腐蚀的维修费用高到7.18亿美元。

现代飞机制造中大量使用钛合金和铝合金，例如美国的第四代战机F-22机体钛合金的使用量已达到41%，而美国先进的V2500发动机钛合金的用量也达到了30%左右。

钛及钛合金具有高比强度、优良的耐腐蚀、良好的耐高温性能，可以减轻机体重量、提高推重比。

然而钛合金的缺点是硬度低、耐磨性差。

纯钛的硬度为150～200HV，钛合金通常不超过350HV。

在很多情况下，由于钛及钛合金表面会生成一层致密的氧化膜从而起到防腐蚀的作用，但是在氧化膜破裂、环境恶劣或发生缝隙腐蚀时，钛合金的耐腐蚀性能将大大降低。

2000年首飞的美国F-35战机上铝合金总用量在30%以上。

但是铝合金的强度不够高，使用时易生产塑性变形，特别是铝合金表面硬度低、耐磨性很差，在某种程度上制约了它的应用。

为了防止在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等环境下工作的零件不因便面的局部损坏而报废，提高零件的可靠性，延长使用寿命，世界各国都在研究和应用各种提高零件表面性能的表面工程技术。

传统的表面改性技术，如各种喷涂层。

镀层等，由于较差的层间结合力以及受平衡溶解度小，及固态扩散性差的限制，应用效果并不理想。

大功率激光器和宽带扫描装置的出现，为材料表面改性提供了一种新的有效手段。

在各类激光束处理中，激光熔覆是经济效益较高的一种新的涂层表面改性技术，它可以在廉价基材上制备出高性能贵重的熔覆层表
面，以降低材料成本，节约贵重稀有的金属材料，降低能量消耗，提高金属零件的使用寿命。

激光熔覆装置如图2所示，其中上图所示的是同步送粉法，下图为预置涂层法。

图2 激光表面改性装置示意图
经过激光熔覆的钛合金表面显微硬度为800-3000HV。

用激光熔覆技术对铝合金表面进行表面强化是解决铝合金表面耐磨性差、易塑性变形等问题的有效方法。

与其他表面强化方法相比，该方法强化层与铝基体之间具有冶金结合特点，结合强度高。

熔覆层的厚度达到1～3mm，组织非常细小，熔覆层的硬度高、耐磨性好，并具有较强的承载能力，从而避免了软基体与强化层之间应变不协调而产生裂纹。

另外，在钛合金、铝合金表面熔覆高性能的陶瓷涂层，材料的耐磨性、耐高温性能等可以得到大幅度提高。

4激光熔覆技术展望
激光熔覆技术对航空工业的发展有着举足轻重的作用。

激光熔覆技术可以提高飞机零部件表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀和抗疲劳等性能,提高材料的使用寿命，还可以用于磨损零部件的修复处理,节约加工成本。

激光溶覆技术应用于飞机零部件的制造,可以减少工件制造工序、提高零部件质量。

随着当今科技的进步，飞机整体性能将进一步提高，对材料的要求也越来越高。

激光熔覆技术的进一步完善和发展对航空业的技术进步具有重要的作用，航空材料将随着激光熔覆技术的发展呈现崭新的面貌。

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