激光熔覆在航空材料表面改性中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)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(bào)廢，提高零部件的使用壽命，世界各國(guó)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(jià)、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(guó)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(guó)先進(jìn)的V2500發(fā)動(dòng)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(guò)350HV。在很多情況下，由于鈦及鈦合金表面會(huì)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(shí)，鈦合金的耐腐蝕性能將**降低。
2000年首飛的美國(guó)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(shí)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(guò)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(duì)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(wèn)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(lái)，航空發(fā)動(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)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(lái)，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?？衫么蠊β始す馄髦苯虞椛浣饘俜勰瑢⑵淙刍笤诮饘俦砻嫘纬梢苯鸾Y(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(duì)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(guò)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(guò)改變成分向熔池中不斷加入合金粉末，重復(fù)上述過(guò)程，即可獲得梯度涂層。
關(guān)鍵部件表面通過(guò)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(dòng)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。
