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航空发动机零部件激光重建维修工艺概述

2017/8/25    来源:互联网    作者:李杰      
关键字:激光重建维修  航空发动机  
航空发动机零部件的特殊使用要求和高价值,不但使其制造工艺变得十分复杂,还使得维修工艺也变得日趋复杂。激光加工工艺被广泛用于航空发动机零部件的制造和维修,其中激光重建维修工艺属于激光加工工艺中的一种,该工艺是利用激光焊接或金属激光沉积工艺对航空发动机零部件进行维修,从而达到航空发动机零部件修复的目的。

    随着航空发动机零部件结构设计的不断变化与发展,新材料、高技术、高价值的零部件在航空发动机上的应用越来越多,如整体叶盘、整体叶环等,为维修方法的创新与发展提出了新的要求。

    以整体叶盘为例,目前广泛应用于各类新型军民用航空发动机的压气机和风扇中。由于整体叶盘和整体叶环是将工作叶片和轮盘或轮毂做成一个整体,因此,一片叶片的损坏就有可能导致整个叶盘的报废,而叶片是发动机工作中极易损伤的零件,如遭受外来物损伤、出现卷边、开裂、掉块等,因工作叶片损坏而报废整个叶盘非常不经济。因此,开发这类修理技术与工艺变得尤为重要。

    激光重建维修工艺概述

    激光重建维修工艺是采用激光对航空发动机零部件损伤区域进行修复的工艺,包括应用激光焊接、激光金属沉积和激光3D打印等修复工艺以及后续的加工和修磨修理工艺。由于这些修复工艺都包含有利用激光对零部件损伤区域进行重建和后续的加工和修磨修理工艺,从而达到维修受损零部件的目的,为此,这些工艺也可统称为激光重建维修工艺。

    激光焊接重建维修工艺原理及特点

    激光焊接重建是在零件损伤部位用激光焊接堆焊或焊接补片,然后再按零件形状要求进行修磨,从而达到零件性能恢复的目的。

    激光焊接堆焊是利用激光焊接堆焊将零件受损部位的材料缺失弥补或重建后,再按零件形状要求进行修磨,从而达到零件修复的目的。激光焊接重建设备如图1所示,图2所示为使用这类设备对损伤叶冠的修复。

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    激光焊接补片利用激光焊接将补片或补块焊接到零件受损部位进行重建,然后再按零件形状要求进行修磨,从而达到零件维修的目的。图3所示为利用激光焊接补片对压气机整体叶盘损伤叶片的修复。

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    图3 激光焊接补片对整体叶盘损伤叶片进行重建

    激光焊接修复工艺具有焊接热影响低、材料性能衰减低、修补的区域可以尽可能小、维修效率高等优点。

    激光金属沉积重建维修工艺原理及特点

    激光金属沉积重建维修工艺(Laser Metal Deposition Build-up)的原理是利用激光将金属(一般多为金属粉末或金属丝)熔化后沉积到基体上,使基体上形成一层或多层沉积物,以达到对基体缺陷进行修复的目的,使用单侧粉末给料的直接金属激光沉积工艺如图4所示。

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    图4 使用单侧粉末给料的直接金属激光沉积工艺示意图

    其每道沉积物的厚度约为0.2~4mm,而且沉积重建维修工艺的速度和效率将取决于激光束的强度、沉积金属(粉末)的给料速度、喷嘴行进速度等因素。考虑到每道沉积物相互之间要有一定的搭接,整个激光金属沉积的速度和效率还与每道沉积物相互之间的搭接量有关。因此,可以通过调节相关参数控制整个沉积物的质量和效率。

    与钎焊,热喷涂和等离子喷涂不同,激光金属沉积可使沉积材料与基体材料完全熔合,并进行全沉积金属的沉积;激光束还可以集中定点,可以非常精细地将金属沉积到微小的部位,实现零部件“点”缺陷的修复;可以较精密地控制沉积体的尺寸,使沉积后的机加工修磨工作量大为减少。

    而用于沉积的金属可以是线材或丝材,但使用较多的是金属粉末。根据沉积材料的不同,可以达到不同的硬度要求,特别是通过参数的调整可以达到超高硬度要求;由于激光金属沉积工艺给基体材料带来的温增是有限的,因此,其对基体材料组织和性能的影响也非常有限,可以通过调整激光枪的强度和沉积速率达到控制基体零部件的受热量,从而控制基体零部件的变形,避免基体零部件材质的弱化和裂纹的出现。由于其加热和冷却速度快,熔化量小,以及对基体材料的热效应有限,从而大大降低了零部件出现变形、弱化和裂纹的概率,使激光金属沉积工艺明显优于钨极气体保护焊或等离子体沉积焊等修补工艺。

责任编辑:张纯子
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