激光熔覆在航空材料表面改性中的應(yīng)用
發(fā)布時間：2022-05-20
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為了防止在高速、高溫、高壓和腐蝕環(huán)境下工作的零部件因表面局部損壞而報廢，提高零部件的使用壽命，世界各國都在致力于研發(fā)各種提高零件表面性能的技術(shù)。傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)（如噴涂、噴鍍、堆焊等）由于層間結(jié)合力差和受固態(tài)擴(kuò)散差的限制，應(yīng)用效果并不理想。大功率激光器和寬帶掃描裝置的出現(xiàn)，為材料表面改性提供了一種新的有效手段。激光熔覆增材制造是經(jīng)濟(jì)效益高的新型表面改性技術(shù)，它可以在廉價、低性能基材上制備出高性能的熔覆層，從而降低材料成本，節(jié)約貴重的稀有金屬，提高金屬零件的使用壽命。
現(xiàn)代飛機(jī)制造中大量使用鈦合金和鋁合金，例如美國的第四代戰(zhàn)機(jī)F-22機(jī)體鈦合金的使用量已達(dá)到41%，而美國先進(jìn)的V2500發(fā)動機(jī)鈦合金的用量也達(dá)到了30%左右。鈦及鈦合金具有高比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐腐蝕、良好的耐高溫性能，可以減輕機(jī)體重量、提高推重比。鈦合金的缺點(diǎn)是硬度低、耐磨性差。純鈦的硬度為150～200HV，鈦合金通常不超過350HV。在很多情況下，由于鈦及鈦合金表面會生成一層致密的氧化膜從而起到防腐蝕的作用，但是在氧化膜破裂、環(huán)境惡劣或發(fā)生縫隙腐蝕時，鈦合金的耐腐蝕性能將**降低。
2000年首飛的美國F-35戰(zhàn)機(jī)上鋁合金總用量在30%以上。但是鋁合金的強(qiáng)度不夠高，使用時易生產(chǎn)塑性變形，特別是鋁合金表面硬度低、耐磨性很差，在某種程度上制約了它的應(yīng)用。
經(jīng)過激光熔覆增材制造的鈦合金表面顯微硬度為800-3000HV。用激光熔覆增材制造技術(shù)對鋁合金表面進(jìn)行表面強(qiáng)化是解決鋁合金表面耐磨性差、易塑性變形等問題的有效方法。與其他表面強(qiáng)化方法相比，該方法強(qiáng)化層與鋁基體之間具有冶金結(jié)合特點(diǎn)，結(jié)合強(qiáng)度高。熔覆層的厚度達(dá)到1～3mm，組織非常細(xì)小，熔覆層的硬度高、耐磨性好，并具有較強(qiáng)的承載能力，從而避免了軟基體與強(qiáng)化層之間應(yīng)變不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生裂紋。另外，在鈦合金、鋁合金表面激光熔覆增材制造高性能的合金涂層，材料的耐磨性、耐高溫性能等可以得到大幅度提高。
激光熔覆獲得熱障涂層
近年來，航空發(fā)動機(jī)燃?xì)鉁u輪機(jī)向高流量比、高推重比、高進(jìn)口溫度的方向發(fā)展，燃燒室的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫Σ粩嗵岣?，例?*飛機(jī)發(fā)動機(jī)渦輪前溫度已達(dá)1800℃，燃燒室溫度達(dá)到2000℃～2200℃，這樣高的溫度已超過現(xiàn)有高溫合金的熔點(diǎn)。除了改進(jìn)冷卻技術(shù)外，在高溫合金熱端部件表面制備熱障涂層（Thermal Bamer Coating，TBCs）也是很有效的手段，它可達(dá)到1700℃或更高的隔熱效果，以滿足高性能航空發(fā)動機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定性的要求。
20世紀(jì)80年代以來，在材料表面激光熔覆增材制造合金層獲得了致密組織，提高了應(yīng)變?nèi)菹?；致密、均勻的激光重熔組織以及較低的氣孔率可降低粘結(jié)層的氧化率，阻止腐蝕介質(zhì)的滲透。可利用大功率激光器直接輻射金屬粉末，將其熔化后在金屬表面形成冶金結(jié)合，得到垂直于表面的柱狀晶組織。由于熔覆層凝固的次序由表到里，表層組織相對細(xì)小，這樣的結(jié)構(gòu)有利于緩和熱應(yīng)力。也可將混合均勻的粉末置于基體上，利用大功率激光器輻射混合粉末，通過調(diào)節(jié)激光功率、光斑尺寸和掃描速度使粉末熔化良好、形成熔池，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過改變成分向熔池中不斷加入合金粉末，重復(fù)上述過程，即可獲得梯度涂層。
關(guān)鍵部件表面通過激光熔覆增材制造超耐磨抗蝕合金，可以在零部件表面不變形的情況下提高零部件的使用壽命、縮短制造周期。激光熔覆增材制造的熱障涂層有良好的隔熱效果，可以滿足高性能航空發(fā)動機(jī)降低溫度梯度、熱誘導(dǎo)應(yīng)力和基體材料服役穩(wěn)定的要求。
