激光熔敷（焊）技術在航空發(fā)動機生產(chǎn)中的應用

一、概述

    激光熔敷( 焊) 技術的特點是： 可以實現(xiàn)熱輸入的準確控制，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(yōu)越的堆敷熔焊層，可以節(jié)省高性能的材料。另外，可以實現(xiàn)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(shù)一經(jīng)確定，焊接質(zhì)量易于保證，焊接可靠性高，故易于實現(xiàn)自動化，符合現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，在經(jīng)濟上和敷層質(zhì)量上也優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝。

    激光熔敷( 焊) 技術能用于高溫合金、鈦合金、鎂合金和合金鋼零件的表面局部強化，修復零件磨損表面，消除零件的鑄造缺陷，愈合零件服役產(chǎn)生的早期熱裂紋。目前世界發(fā)達國家都將激光加工技術廣泛應用于航空發(fā)動機的制造和修復過程。在中國，自1990 年起激光熔敷技術就開始應用于航空發(fā)動機生產(chǎn)，當時主要解決某航空發(fā)動機渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉尖磨短接長問題，經(jīng)過十多年的發(fā)展，激光熔敷技術已經(jīng)用在各種航空發(fā)動機葉片與部件的強化與修復上。

    二、鎳基高溫合金的激光熔敷( 焊)

    鎳基高溫合金是航空發(fā)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(shù)增加，合金的高溫強度增加�，F(xiàn)代高性能的航空發(fā)動機渦輪葉片、導向器等熱端部件都是由高Al + Ti鎳基高溫合金制成的，如Rene125 、DZ22 、DZ125 、ЖС6 У、K24 及K418 。這些高溫合金部件制造時選用了優(yōu)良的耐高溫合金材料和先進的鑄造成型工藝，生產(chǎn)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(xiàn)各種早期損傷，嚴重影響發(fā)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 鎳基高溫合金由于含有大量的Ni 3 ( Al ，Ti) 相，熱裂紋敏感性很高，在焊接和焊后過程中容易產(chǎn)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。

    十余年來中國科學院金屬研究所激光表面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面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，是工藝性很強的修復系統(tǒng)工程，涉及到激光輻照前后的熱處理與表面處理，激光束能的控制輻照與輻射方式，表面預涂材料與填補材料，防氧化保護與基材溫度控制以及修復質(zhì)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復。激光熔焊與熔敷技術的多項國家發(fā)明專利，為我國新型航空發(fā)動機和國外進口航空發(fā)動機研制、生產(chǎn)與修復方面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復

    航空發(fā)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(huán)上的燃灰沉積等原因均會引起葉片與封嚴環(huán)的接觸磨損，從而導致葉片葉尖磨短。據(jù)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(fā)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(fā)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(zhàn)機一級轉(zhuǎn)子葉片葉尖燒蝕區(qū)變形得到修復; 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(xiàn)已飛行200h 以上。到目前，已實現(xiàn)批量接長修復。

    2. 葉片冠部阻尼面的激光敷層強化與修復

    航空發(fā)動機帶冠轉(zhuǎn)子葉片聯(lián)鎖面在高溫燃氣和高速轉(zhuǎn)動運行的工況下，會發(fā)生嚴重的高溫腐蝕和微振磨損使本來裝配緊密的葉片發(fā)生嚴重的松動，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(lián)鎖面必須施加防蝕抗磨涂層來強化。采用激光熔敷稀土改性的鈷基合金粉末可以實現(xiàn)阻尼面強化和恢復磨損的阻尼面構(gòu)形。圖2 為低壓渦輪葉片阻尼面激光熔敷鈷基涂層的典型形貌及顯微硬度分布。

    采用此技術為8000 只國產(chǎn)新型航空發(fā)動機的葉冠阻尼面做了硬面敷層處理。此外，WSXX、WPXXB、WPXXF、WPXX 與WPX 等多種型號發(fā)動機帶冠葉片的阻尼面葉也都利用此技術進行了表面強化處理，獲得了十分滿意的效果; 海軍用WPX 系列發(fā)動機一級渦輪葉片平形冠阻尼面的磨蝕減尺超差，均通過應用此技術獲得成功的修復。

    3. 葉片三維空間缺陷的激光顯微積分重建

    渦輪葉片和導向葉片上的熱裂紋、鑄造缺陷等處于不規(guī)則的立體空間，與葉尖激光仿形熔鑄接長和阻尼面激光敷層強化這種二維平面加工相比，對于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(yōu)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(qū)。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(gòu)成的，如一個積分過程。與二維平面的激光熔敷不同，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復合過程。該工藝的主要特點是：輸入基材熱量少，能夠獲得內(nèi)應力最小、空間冶金結(jié)合界面、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(chǎn)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復了某進口航空發(fā)動機高壓渦輪葉片葉尖裂紋，修復的葉片通過了發(fā)動機地面臺架長期試車考核，目前已進入批量修復階段。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復了某新型直升發(fā)動機K6C 合金整體導向器精鑄件十余個。

    三、鈦合金件激光熔敷焊

    高性能航空發(fā)動機的鈦合金件的使用越來越多，但是鈦合金由于其耐磨性和抗機械疲勞性較差，而易產(chǎn)生磨損與疲勞裂紋。某飛機的BT20 合金防冰殼體內(nèi)壁與其配合件之間發(fā)生微振磨損，導致其配合密封面發(fā)生臺階式磨損溝槽而失效，如圖4a 所示。采用鈦合金高純凈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復，其補焊區(qū)為冶金結(jié)合，組織均勻致密，如圖4b 所示。

    鈦合金高純凈激光熔敷焊技術已經(jīng)成功應用于航空發(fā)動機部件的再制造上，目前已修復某進口發(fā)動機中介機匣數(shù)個，防冰殼體和杯形件數(shù)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( 膨脹系數(shù)大) 等，采用氬弧焊等工藝可以對鎂合金毛坯料進行焊補，但對于已加工到位的成品件與返修件的焊補修復是很困難的，往往不可實現(xiàn)。研究采用脈沖激光預置和電火花快速焊補方法可以實現(xiàn)工件無變形修復。航空發(fā)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(qū)域均發(fā)生了電偶腐蝕坑。鎂合金在鑄造生產(chǎn)時常發(fā)生的缺陷是疏松、夾雜與熱裂紋。我國研制的昆侖號發(fā)動機ZM5鎂合金附件機匣成品件存在鑄造疏松引起打壓漏油。采用激光熔敷法修復后組織致密，無任何顯微缺陷，與基體冶金結(jié)合良好，如圖5 所示。

    五、結(jié)語

    隨著激光熔敷( 焊) 技術的進一步發(fā)展，以及航空制造業(yè)對其認知度的不斷提高，激光熔敷焊技術必將在航空發(fā)動機制造和再制造中得到更廣泛的應用。