激光再制造在航空维修中的运用分析

张涛

摘要：针对激光再制造技术，在简述其原理、优势和特点的基础上，对其在航空维修过程中的应用进行深入分析，旨在为这项技术的广泛应用奠定良好基础，创造必要的条件。

关键词：航空维修;航空材料;激光再制造

激光再制造是一项近年来才兴起并迅速引起人们关注的制造技术，将已经失去价值的零部件作为毛坯，通过基于激光熔覆的高新技术应用对毛坯进行修复或升级，以此获得性能与质量都优于新品的再制造品。

1激光再制造技术

在航空维修领域，激光再制造将激光焊接与熔覆两项技术作为基础，以激光为主要热源，并结合计算机与制造技术，对结构件上的不同损伤部位予以修复。其中，激光焊接主要在薄壁结构中使用，而激光熔覆主要在实体结构中使用。长时间以来，航空维修都使用TIG与MIG两项焊接技术，尤其是对航空叶片进行的维修。这样存在很实际问题，比如，对待维修处理叶片提出了很多要求与限制，很多叶片无法使用这些焊接技术进行维修，或在维修时因为热损伤、变形与开裂导致叶片直接报废，或因为修复过程中受到高温作用导致性能大幅降低，使叶片的使用寿命被大幅缩短，降低可靠性。另外，采用这种焊接技术进行维修时，工作效率相对较低，表面成形质量很差，且加工工艺复杂，很难控制。

激光再制造的出现和应用为航空维修领域提供了新的思想与方法。因其整个过程都能实现自动化，且不会产生太大的热应力，基本没有变形，可以对可焊性相对较差的材料进行维修。因其凝固与冷却速度都很快，所以无论是维修区还是热影响区，均能长时间保持相对较高的韧性及强度，进而获得满意的成果[1]。

2在铝合金构件中的运用

对于铝合金构件，当在含盐雾、含尘和含水条件下使用时，可能产生腐蚀损伤现象，比如发动机的螺旋桨叶，其腐蚀损伤程度相对严重，随时可能提前退出使用，导致飞机整体完好率明显降低，引起不同程度的损失。对此，可借助激光熔覆技术对其进行修复，以恢复构件具有的性能。

界面上激光熔池大部分热量都由基体进行传导，这一部位的温度梯度可以达到最大，在熔池凝固时界面部位往往最先开始结晶。因温度梯度和界面保持垂直，所以这一部位晶体的具体生长方向是和界面相垂直。在界面上形成了晶核之后，枝晶将沿着逆向不断向熔池当中继续生长，在晶轴和界面相斜交的部分生长至一定程度之后，将会因为相邻晶粒的影响而无法继续生长，此时只剩下与界面相垂直的晶粒可以向液体金属方向生长，最终得到柱体形状的晶组织。伴随晶体前沿不断向熔池内的推进，温度梯度将明显降低，使结晶的速度不断增加，减小晶粒的尺寸，表现出一定多向趨势[2]。

对采用激光再制造技术修复完成的试样和标准试样实施疲劳对比试验可知，采用激光熔铸技术修复完成的试样，其疲劳性能比标准试样明显下降，其原因为在熔铸层当中存在缺陷，可能由此产生裂纹，处在熔铸层底的部分晶体粒子表现出明显应力开裂趋势。另外，由于熔铸后有残余拉应力存在，所以会使裂纹产生和扩展都被明显加速。

3在转子叶片中的运用

对于转子叶片，它在航空发动机中是一个重要零部件，因其属于转动速度较高的动部件，且数量较多、体型单薄、载荷较大、所处环境复杂，所以往往有很高的故障发生率。使转子叶片失效损坏的原因包括疲劳破坏、腐蚀与磨损等。借助NiCrMoNb合金与二氧化碳熔覆技术修复基体表面，修复完成后经试验可知失效叶片具有的耐磨性能比新品要高[3]。

修复后，熔覆区和基体之间有良好结合，整条结合带保持平滑，无裂纹，基体和熔覆层之间的浸润性良好。在相邻的两个搭接部位有良好结合，整个过渡区均保持平滑。在结合带上有一个白亮带，是一个厚度很小的晶组织，带宽在10-20μm范围内。对于熔覆层晶离，其形状主要有三种，分别为网状、柱状与枝状。在熔覆层中与结合带相靠近的晶例，一般是尺寸相对较大的柱状晶组织。对柱状晶而言，其晶轴和熔合线之间基本保持垂直，宽度在8-12μm范围内，而轴向长度在50-60μm范围内。在远离结合带一段距离后，与熔覆层表层相靠近的晶粒是尺寸较小的枝状晶，还可以见到网状晶不断增多。对枝状晶而言，其宽度在4-6μm范围内，长度在20-30μm范围内。熔覆区最外层的晶格以网状为主[4]。

在磨损量方面，基体比熔覆层高很多。对熔覆层而言，其磨损量只有基体1/2左右。其主要原因在于熔覆层的显微组织更加细小和致密。采用激光熔覆技术时，铁、铬、钼等将完成奥氏体固溶强化;铝等金属将产生沉淀强化。此时熔覆层的表面并非硬度为最大的部位，当与结合带之间的距离减小时，硬度将明显提高。硬度的峰值产生在与结合带边缘相靠近的部位，具体的硬度值为450Hv。

4结语

综上所述，激光再制造的出现与应用能为航空维修领域提供新方法与新途径，这项技术可以在不同的航空材料中广泛应用，确保航空维修得以顺利其可靠的进行。另外，这项技术的应用还能增强零件自身表面性能，从而提高再制造这项技术的经济效益。伴随激光再制造不断成熟，技术本身的功能与性能都将得到不断的完善和提高，这将为技术在航空装备维修领域的进一步应用奠定良好基础。目前，国外航空维修领域对这项技术的实际应用引起了高度关注。在这种情况下，我国也需要度其引起足够的重视，根据具体情况制定与现有装备相适应的技术体系。

参考文献

[1]陈兴，顾加进，王化清.机车高价值零部件和工艺装备再制造应用与设想[J].金属加工（冷加工），2020，11（12）：8-11.

[2]王争强，李文戈，杜旭，赵远涛.激光熔覆技术在轴类零件再制造过程中的应用现状[J].机械工程材料，2020，44（11）：35-40.

[3]余芬，张金，王宁，王涛.钛合金薄壁件激光熔覆铣削再制造后的平面度变化[J].机械工程材料，2020，44（11）：106-110.

[4]肖雪峰，齐先胜，李硕，刘和平.高速动车组车轴激光熔覆再制造填充粉末选型研究[J].金属加工（热加工），2020，10（11）：38-42.

（沈阳飞机工业（集团）有限公司）