激光熔覆技術(shù)在飛機(jī)葉片修復(fù)中的應(yīng)用研究

1、論文導(dǎo)讀：熔覆材料選擇為Al-Y-Nb合金粉末。進(jìn)行單道激光熔覆試驗(yàn)。預(yù)敷的Al-Y-Nb粉末層形成熔體的瞬間便通過(guò)與之接觸的LY11CZ基底熱傳導(dǎo)散熱降溫。因此主要考察熔覆后其抗晶間腐蝕性能。關(guān)鍵詞：激光熔覆，LY11CZ，Al-Y-Nb合金，微觀組織形貌，腐蝕性能0 引言鋁及鋁合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，是航天、航空和石油化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的材料。LY11CZ很長(zhǎng)時(shí)間被用于制造飛機(jī)螺旋槳葉片，葉片表面上出現(xiàn)損傷時(shí)，必須通過(guò)一些表面處理技術(shù)進(jìn)行修復(fù)。除了考慮螺旋槳葉片所要求的高強(qiáng)度、高耐疲勞性，對(duì)于沿海的機(jī)場(chǎng)，飛機(jī)主要在海洋濕氣環(huán)境下飛行，還必須考慮表面修復(fù)后的耐腐蝕性。選擇一種

2、合適的表面處理技術(shù)對(duì)螺旋槳葉片進(jìn)行修復(fù)，對(duì)節(jié)省裝備維護(hù)費(fèi)用，提高裝備使用壽命具有很重要的意義。激光熔覆是用激光作熱源，在材料表面熔覆一層具有特殊性能的合金層。免費(fèi)論文網(wǎng)。合理選擇熔覆合金和激光處理工藝，可以得到高硬度、高耐磨性和高抗蝕性的表面層1。激光熔覆技術(shù)作為一種高速高效的表面處理技術(shù)，在防腐蝕工程方面有極大的運(yùn)用前景2。本文以激光熔覆技術(shù)作為飛機(jī)葉片表面損傷的修復(fù)方法，研究熔覆層的微觀組織形貌與耐腐蝕性能。1 激光熔覆實(shí)驗(yàn)1.1 試驗(yàn)材料1.1.1 基材基材為L(zhǎng)Y11CZ，取自飛機(jī)螺旋槳葉片，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：Si0.7，F(xiàn)e0.7，Cu3.84.8，Mn0.40.8，Mg0.40.

3、8，Ni0.1，Zn0.3，Ti0.15，余量為Al。試樣尺寸為50505(mm)，表面用粗砂紙打磨，并用丙酮清洗。1.1.2 熔覆材料釔作為稀土元素具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，添加少量的釔能極大的影響材料的組織與性能。將釔添加在鋁粉中作為熔覆材料具有很多積極作用，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：變質(zhì)作用。激光熔覆過(guò)程其實(shí)是一個(gè)熔鑄過(guò)程，而釔以及其他一些稀土元素可以有效減小鋁合金的枝晶間距，細(xì)化鑄態(tài)晶粒。凈化作用。由于稀土元素具有很高的化學(xué)活性，與H2、Fe、S等雜質(zhì)元素具有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，可以與各種雜質(zhì)元素形成化合物，因而能消除H2、Fe、S和過(guò)剩游離態(tài)Si等有害雜質(zhì)的影響。微合金化作用。稀土元素與Al及其合

4、金元素能發(fā)生微合金化作用，對(duì)鋁合金能起到一定的改性作用。由于稀土元素在純鋁中溶解度很小，添加釔元素對(duì)純鋁強(qiáng)度作用很小。鈮與鋁可以形成無(wú)限固溶體。將少量鈮作為變質(zhì)劑加入到熔覆材料中，可以起到細(xì)化晶粒和改善組織。在激光熔覆形成熔池的瞬間，高熔點(diǎn)的鈮成顆粒狀分布在熔池中，可以增加晶核的數(shù)量，并阻礙晶核的長(zhǎng)大，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用，改善材料的鑄造工藝性能。因此，熔覆材料選擇為Al-Y-Nb合金粉末，其中Y為4%、Nb為2%，余量為Al。粉末混合均勻，經(jīng)粘結(jié)劑浸潤(rùn)后干燥備用。1.2 試驗(yàn)設(shè)備及儀器采用JHM-1GX-200B型Nd:YAG脈沖激光器。其波長(zhǎng)為1.06μm，最大輸出功率為300W，最大工

5、作電流400A，脈沖寬度(0.115)ms，最大單脈沖能量60J，激光束發(fā)散角小于15mrad，能量不穩(wěn)定度小于±5%。組織形貌及耐腐蝕性分析主要采用4XB-TV金相顯微鏡完成。HXS-1000數(shù)字式智能顯微硬度計(jì)測(cè)試熔覆層顯微硬度。1.3 試驗(yàn)方法采用正交實(shí)驗(yàn)法，進(jìn)行單道激光熔覆試驗(yàn)。鋁材表面易氧化，反射率高，試驗(yàn)過(guò)程中，用同軸的氬氣流進(jìn)行保護(hù)。表5 正交試驗(yàn)表及硬度測(cè)試Table 1 Orthogonal experiment table and test of micro-hardness序號(hào) 電流 頻率 脈寬 光斑直徑 平均硬度 (A) (Hz) (ms) (mm) (H

6、V)1 110 1 7 1.0 31.4 2 110 2 10 1.5 35.2 3 110 313 2.0 33.6 4 130 1 13 1.5 37.3 5 130 2 7 2.0 41.7 6 130 3 10 1.0 39.5 7 150 1 10 2.0 43.3 8150 2 13 1.5 49.1 9 150 3 7 1.0 46.8 1.4 熔覆層微觀組織形貌選擇熔覆后宏觀形貌較理想且顯微硬度要較高的試樣7(對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)：電流150A，頻率1HZ，脈寬10ms，光斑直徑2mm)，橫向截取熔覆層，磨制、拋光金相試樣。用HF、HCl、HNO3混合酸溶液將試樣進(jìn)行腐蝕，待試樣表面

7、出現(xiàn)明顯腐蝕痕跡后用無(wú)水酒精洗凈、吹干，觀察熔覆層微觀組織形貌。從圖1可以看到，熔覆層組織細(xì)密，與基材結(jié)合緊密。熔覆層底部平滑微凹，熔池的固液界面清晰，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的微觀裂紋，這對(duì)獲得較好的耐疲勞性很重要。熔池底部形成有以胞狀晶組織為主的過(guò)渡區(qū)，這層組織深入到LY11CZ基底中，寬度很窄?？拷^(guò)渡區(qū)的基材晶粒粗大，原因是此部分基材熔化后重新結(jié)晶，發(fā)生退火。 分析：在聚焦光束的瞬時(shí)作用下（脈寬為10ms），預(yù)敷的Al-Y-Nb粉末層形成熔體的瞬間便通過(guò)與之接觸的LY11CZ基底熱傳導(dǎo)散熱降溫，達(dá)到相對(duì)較快的加熱熔化冷卻凝固的過(guò)程；與Al-Y-Nb熔體相接觸的LY11CZ基底僅僅在表層部分升溫熔化

8、進(jìn)入Al-Y-Nb熔體中形成了過(guò)渡區(qū)組織。因此固液相界面在熔池階段由基底進(jìn)入熔池的LY11CZ成分較少而減小了對(duì)過(guò)渡層的稀釋作用，并使過(guò)渡區(qū)較窄。另一方面，在此過(guò)程中形成清晰的近似于平面的固液相界面前沿有利于合金在凝固初始階段的形核。因此在該激光熔覆工藝條件下獲得了相對(duì)快的冷凝速度和相對(duì)較小而均勻的過(guò)渡區(qū)組織結(jié)構(gòu)。就熔覆層的加熱熔化冷卻凝固過(guò)程而言，熔覆層的形成機(jī)制實(shí)質(zhì)上取決于在一定的激光瞬時(shí)加熱條件下熔體與基底間的溫度梯度，較陡的溫度梯度有利于獲得良好的激光熔覆質(zhì)量。但溫度梯度過(guò)大容易引起裂紋產(chǎn)生。過(guò)渡區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)裂紋的另一個(gè)原因是Al-Y-Nb合金熔覆層與基材LY11CZ的線膨脹系數(shù)差異較小

9、，可以有效的減少熔覆層殘余拉應(yīng)力，減小其開(kāi)裂敏感性。涂層與基材的線膨脹系數(shù)接近還可以防止熔覆層的脫落。圖1 熔覆層微觀組織形貌800Figure 1 Microstructureof laser cladding layer2 熔覆層耐蝕性實(shí)驗(yàn)2.1 實(shí)驗(yàn)方法由于LY11CZ屬于Al-Cu-Mg合金系，耐蝕性能比純鋁以及防銹鋁合金要低，腐蝕類型以晶間腐蝕為主。在加熱超過(guò)100°C時(shí)有產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。因此主要考察熔覆后其抗晶間腐蝕性能。腐蝕液為鹽酸（3638）、硝酸溶液（30%）、氯化鈉溶液每（57g+1L水）、氫氧化鈉溶液（10）和有機(jī)溶劑（乙醇、丙酮）的混合液。試樣尺寸：8820(

10、mm)。用乙醇、丙酮將試樣擦拭干凈，浸入氫氧化鈉溶液(515)分鐘，取出用水洗凈，浸入HNO3溶液中，直到表面光潔，再用水洗凈。在溫度為（35±2）°C的條件下，將試樣放入腐蝕液中，浸泡24小時(shí)，取出，用水洗凈，吹干1。2.2 熔覆層耐蝕性分析試樣表面附著了一層在酸性條件下的腐蝕產(chǎn)物，其主要成分是A1C13。腐蝕后的熔覆層微觀形貌如圖2。圖2 腐蝕后熔覆層微觀形貌 800Figure 2 Microstructureof laser cladding after erosion在接近表面的微小氣孔周圍，出現(xiàn)了明顯的縫隙腐蝕特征。證明腐蝕由表面縫隙容易滲透延伸到熔覆層內(nèi)部，

11、且氣孔周圍存在極其細(xì)小的微觀裂紋，此縫隙寬度在（0.0250.1）mm范圍內(nèi)。免費(fèi)論文網(wǎng)。在熔覆層表面，發(fā)現(xiàn)有點(diǎn)蝕坑，直徑1mm左右。原因是熔覆層的表面鈍化后，鈍化膜處于溶解與修復(fù)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，由于溶液中C1-1濃度很高，有一定幾率形成鋁的氯化物，當(dāng)鈍化膜破壞后，點(diǎn)蝕開(kāi)始形成。同時(shí)，C1-1半徑很小，可以穿過(guò)鈍化膜進(jìn)入膜內(nèi)，引起點(diǎn)蝕。由于熔覆層晶粒極細(xì)，沒(méi)有觀察到明顯的晶間腐蝕。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在熔覆層與基材的過(guò)渡區(qū)組織良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡。3 結(jié)論通過(guò)LY11CZ熔覆Al-Y-Nb合金試驗(yàn)以及對(duì)熔覆層組織與耐腐蝕性的研究，可得以下結(jié)論：LY11CZ基材激光熔覆Al-Y-Nb合金涂層時(shí)，在電流15

12、0A、脈寬10ms、頻率1Hz時(shí)，可以得到組織細(xì)密，與基體呈良好冶金結(jié)合且無(wú)明顯微觀裂紋的熔覆層。熔覆層耐腐蝕性能較好。免費(fèi)論文網(wǎng)。在酸性鹽溶液中的腐蝕形式主要是點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的晶間腐蝕。熔覆層中存在的氣孔及微觀裂紋對(duì)其耐腐蝕性有不良影響，微觀氣孔及其周圍的微觀裂紋是最主要的縫隙腐蝕萌生原因。Al-Y-Nb合金可以作為激光熔覆修復(fù)飛機(jī)葉片（LY11CZ）的參考材料。4 進(jìn)一步研究設(shè)想工程實(shí)踐中，將激光熔覆技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)葉片的修復(fù)，還要做以下考慮：從熔覆材料著手，在Al-Y-Nb合金基礎(chǔ)上添加某些合金元素，進(jìn)一步提高其耐磨性能和耐沖刷腐蝕性能。優(yōu)化激光熔覆工藝條件，減少熔覆層微觀缺陷。進(jìn)一步做