激光熔敷（焊）技术 在航空发动机生产中的应用 (2)

  3. 叶片三维空间缺陷的激光显微积分重建

    涡轮叶片和导向叶片上的热裂纹、铸造缺陷等处于不规则的立体空间，与叶尖激光仿形熔铸接长和阻尼面激光敷层强化这种二维平面加工相比，对于激光加工工艺的要求更高。激光显微积分焊是利用激光粉末多层熔敷的原理，采用小功率的Nd：YAG 激光束按优化路径多次辐照使粉末体熔化凝固，道与道、层与层之间冶金累积，直至填满整个三维空间区。一个大的具有三维边界的熔铸空间是由许多微小的熔敷点构成的，如一个积分过程。与二维平面的激光熔敷不同，三维空间的激光显微积分焊是在约束情况下进行的，可以看作是激光熔敷和激光焊接的复合过程。该工艺的主要特点是：输入基材热量少，能够获得内应力最小、空间冶金结合界面、缺陷最少的熔铸重建层。当基材为热裂纹敏感性很高的高Al + Ti 镍基高温合金材料时，激光显微积分焊可有效地减少和避免裂纹的产生。图3 为ЖС6У合金高压涡轮叶片三维空间激光显微熔铸镍基合金组织形貌。

    采用激光显微积分焊技术成功地修复了某进口航空发动机高压涡轮叶片叶尖裂纹，修复的叶片通过了发动机地面台架长期试车考核，目前已进入批量修复阶段。另外，整体导向器铸造缺陷是一个非常棘手的问题，采用此技术成功地修复了某新型直升发动机K6C 合金整体导向器精铸件十余个。

    三、钛合金件激光熔敷焊

    高性能航空发动机的钛合金件的使用越来越多，但是钛合金由于其耐磨性和抗机械疲劳性较差，而易产生磨损与疲劳裂纹。某飞机的BT20 合金防冰壳体内壁与其配合件之间发生微振磨损，导致其配合密封面发生台阶式磨损沟槽而失效，如图4a 所示。采用钛合金高纯净激光熔敷焊一整套工艺方法，可使壁厚仅有2.0mm的壳体得到无变形修复，其补焊区为冶金结合，组织均匀致密，如图4b 所示。

    钛合金高纯净激光熔敷焊技术已经成功应用于航空发动机部件的再制造上，目前已修复某进口发动机中介机匣数个，防冰壳体和杯形件数百个。

    四、镁合金件激光熔敷

    众所周知，镁合金的焊接关键问题是易氧化、气化、热裂纹和变形大( 膨胀系数大) 等，采用氩弧焊等工艺可以对镁合金毛坯料进行焊补，但对于已加工到位的成品件与返修件的焊补修复是很困难的，往往不可实现。研究采用脉冲激光预置和电火花快速焊补方法可以实现工件无变形修复。航空发动机镁合金件在服役中的主要损伤失效是电化学腐蚀，如WPX 前支撑壳体，材料是ZM2 镁合金，在所有与紧固螺栓垫片接触区域均发生了电偶腐蚀坑。镁合金在铸造生产时常发生的缺陷是疏松、夹杂与热裂纹。我国研制的昆仑号发动机ZM5镁合金附件机匣成品件存在铸造疏松引起打压漏油。采用激光熔敷法修复后组织致密，无任何显微缺陷，与基体冶金结合良好，如图5 所示。

    五、结语

    随着激光熔敷( 焊) 技术的进一步发展，以及航空制造业对其认知度的不断提高，激光熔敷焊技术必将在航空发动机制造和再制造中得到更广泛的应用。