激光束的能量可使合金中的高熔點(diǎn)相、夾雜物等完全熔化。激光加工是利用高輻射強(qiáng)度的激光束，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦(聚焦后的功率密度可達(dá)到10*4~10*11w/cm2)，對(duì)工件加工部位施加高溫的熱加工技術(shù)。激光加工可在大氣中進(jìn)行，也可在真空中進(jìn)行。對(duì)于一些特殊的合金(如鈦合金)，無需在真空狀態(tài)下進(jìn)行激光加工，只需吹保護(hù)性氣體(對(duì)于鎳基合金和欽合金采用氨氣或氮?dú)??；w材料熔化區(qū)可限制在幾十微米，甚至更薄的范圍。激光熔敷層產(chǎn)生的熱影響區(qū)的厚度大約是熔敷層厚度的1/10(0.10-0.25mm)，這就意味著熱影響區(qū)很窄。
激光熔敷和焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)
激光熔敷多用于發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的恢復(fù)尺寸修復(fù)，與其他形式的堆焊相比，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
(1)激光熔敷加工精度高，易于實(shí)現(xiàn)近凈成形和后續(xù)精加工。如果采用TIG堆焊，堆焊的寬度與高度不易控制，后續(xù)精加工余量過大，且熱影響區(qū)大。
(2)激光熔敷加工易于數(shù)字化控制，可加工幾何形狀復(fù)雜的零部件。若采用手工焊接，在穩(wěn)定性和質(zhì)量上都無法滿足要求。
(3)采用高效的自動(dòng)化激光熔敷技術(shù)，可以有效地減小熱影響區(qū)，降低葉片裂紋的產(chǎn)生，產(chǎn)品的一次合格率可以穩(wěn)定在95%以上，而采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工藝(TIG堆焊)則相差甚遠(yuǎn)。
(4)激光熔敷可以在氫氣保護(hù)下進(jìn)行，而無需真空環(huán)境。與電子束堆焊相比，加工效率更高，設(shè)備維護(hù)更方便。
國外的應(yīng)用現(xiàn)狀
激光熔敷技術(shù)主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、導(dǎo)向葉片和氣路封嚴(yán)系統(tǒng)的零部件修理。以下是國外一些公司應(yīng)用激光熔敷技術(shù)的情況。
(1)英國羅-羅公司
激光熔敷在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件制造上的運(yùn)用，應(yīng)首推羅一羅公司。該公司于1981年就采用此工藝對(duì)RB211發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冠部阻尼面進(jìn)行鉆基耐磨合金敷層強(qiáng)化處理。在羅一羅公司資助下，英國諾丁漢大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出葉片修理系統(tǒng)，并在羅-羅公司大修中心得到應(yīng)用，維修的范圍有壓氣機(jī)葉尖，渦輪葉片封嚴(yán)蓖齒等。
(2)美國普惠公司
普惠公司繼羅-羅公司之后進(jìn)一步發(fā)展了激光熔敷技術(shù)，成功地建立了兩條自動(dòng)化激光熔敷生產(chǎn)線，在JT8D和JT9D兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的第一級(jí)和第二級(jí)的PWA1455合金材料的轉(zhuǎn)子葉片鋸齒冠阻尼面上，制備出高質(zhì)量的鉆基耐磨合金層。
普惠公司在美國空軍項(xiàng)目(IMIP計(jì)劃)資助下，建立了渦輪葉片激光焊接加工中心，可以完成渦輪葉片所需部件的自動(dòng)激光焊接，如JTgD與Flo的二級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子葉片和V2500、F100與PW2037的渦輪導(dǎo)向葉片等。
(3)美國通用電氣公司
美國通用電氣(GE)公司首先將激光熔敷技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的修復(fù)上。它于1990年采用5kWCO2激光加工設(shè)備，接長修復(fù)了高壓渦輪葉片的葉尖。并聲稱該技術(shù)為公司十大新技術(shù)之一。
GE公司成功地完成了噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)流板和導(dǎo)向葉片的激光焊接組裝，有效地解決了Inconel600和700系列Hastelloy，Ren41和Waspaloy牌號(hào)的鎳基合金小型零件激光焊接變形與裂紋等問題。
(4)美國霍尼韋爾公司
在先進(jìn)的維修領(lǐng)域，霍尼韋爾公司重點(diǎn)發(fā)展以下三方面:自適應(yīng)加工;激光焊接，釬焊和熱加工;表面處理和先進(jìn)涂層工藝。其中，激光焊接修理發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工藝已經(jīng)成功用于LF507渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片的翻修成本僅為購置新葉片價(jià)格的1/5，對(duì)一臺(tái)商用發(fā)動(dòng)機(jī)，修理其低玉渦輪葉片，可以比更換這些葉片節(jié)約18萬美元。該公司已經(jīng)修復(fù)了100萬片的渦輪葉片，并且修復(fù)的葉片已累計(jì)飛行2千萬個(gè)飛行小時(shí)?；裟犴f爾公司擁有幾十項(xiàng)關(guān)于激光焊接技術(shù)的專利，其中包括先進(jìn)的送粉裝置;采用3-D自適應(yīng)技術(shù)激光焊接噴管和氣體整流罩;便攜式激光設(shè)備。
霍尼韋爾公司的設(shè)備與技術(shù)獲得了ISO9001的認(rèn)證，同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)的部件和附件的檢查、翻修、測(cè)試等方面也取得了FAA/JAA的認(rèn)證。
(5)德國MTU公司
德國MTU公司與漢諾威激光研究中心共同發(fā)展了激光堆焊技術(shù)，用于渦輪葉片冠部阻尼面的硬面敷層或恢復(fù)幾何尺寸。
MTU公司采用包覆熔敷技術(shù)(Contained Laser Powder Cladding，CLPC)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片葉尖部的磨損進(jìn)行修復(fù)。公司在堆焊研究過程中分別采用等離子弧焊接(Plasma Arc welding,PAW)，普通激光熔敷(Laser Powder cladding，LPC)與包覆熔敷進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，為獲得熔敷的足夠高度，PAW和LPC技術(shù)需要2~3次熔敷過程，而CLPC只需一次;CLPC的熔敷速度明顯高于其他兩種技術(shù);在熔敷的后續(xù)加工中PAW與LPC修復(fù)的葉片加工量很大，而CLPC基本無需加工，可以認(rèn)為CLPC技術(shù)是近凈形修復(fù)技術(shù);修復(fù)后的顯微硬度顯示CLPC與LPC加工的材料硬度明顯高于PAW，熱影響區(qū)也大大小于PAW。MTU采用高效的自動(dòng)化激光熔敷技術(shù)，可以有效地減小熱影響區(qū)，降低葉片裂紋的產(chǎn)生。產(chǎn)品的一次合格率可以穩(wěn)定在95%以上，而采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)工藝(TIG堆焊)一次合格率平均不足75%。
(6)美國伍德集團(tuán)公司
美國伍德集團(tuán)公司利用激光粉末合金熔焊技術(shù)修理航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，取得了很好的效果。采用這種修理技術(shù)可以修理過去認(rèn)為不可修的單晶和DS合金零部件。利用該技術(shù)生產(chǎn)的焊接件可以精確保持部件的原有形狀和尺寸，減少焊后處理工序，從而提高生產(chǎn)率。
(7)加拿大Liburdi集團(tuán)公司
加拿大Liburdi集團(tuán)公司研制了一種專利的葉片修理技術(shù)，該技術(shù)采用一種激光器及實(shí)心金屬焊絲相結(jié)合的方法。這種修理方法的基本過程是讓激光束將工件的基體熔化形成焊池，然后將焊絲引入焊池使其熔化，并通過基體金屬與激光束的相對(duì)移動(dòng)而使熔融的金屬凝固成連續(xù)焊縫。這種修理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是輸入的熱量少，因此不需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。而且，速度高，焊點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)“近凈”成形。Liburdi集團(tuán)公司現(xiàn)已成功將該技術(shù)應(yīng)用在羅-羅公司的RB211的高壓渦輪，中壓渦輪和低壓渦輪的葉片修理上，并且在2001年獲得羅一羅公司授權(quán)專門從事RB211發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和其他相關(guān)部件的激光焊接修復(fù)工作。Liburdi集團(tuán)公司還獲得GE，西門子一西屋的"F"級(jí)部件修理許可，從事GE7FA系列的噴嘴和燃燒室等修復(fù)。同時(shí)還承擔(dān)西門子V84.3A系列的1、2、3級(jí)葉片的修復(fù)。
國內(nèi)的應(yīng)用現(xiàn)狀
航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉冠阻尼面表面耐磨處理技術(shù)有四種:一是像WP7一樣，采用等離子噴涂;二是像AII-31Φ一樣，采用真空高溫釬焊耐磨合金塊;三是像CFM56，采用氫弧堆焊;四是像美國JT8D，采用激光熔敷涂層。
中科院金屬所與沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所開發(fā)的渦輪葉片鋸齒冠激光熔覆技術(shù)(熔敷材料為含有少量稀土元素的CoCrw)，已經(jīng)成功用于我國自主研發(fā)的兩種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉冠阻尼面硬面敷層強(qiáng)化處理上，獲得了十分滿意的效果。通過一系列的試驗(yàn)，包括熔覆的工藝試驗(yàn)、耐磨性試驗(yàn)、抗氧化和腐蝕試驗(yàn)、結(jié)合力試驗(yàn)、硬度測(cè)定和金相分析等，證明激光熔覆層質(zhì)量大大優(yōu)于其他傳統(tǒng)噴涂工藝。
中科院金屬所采用激光微積分顯微焊技術(shù)對(duì)工件的三維立體局域損傷(如孔洞、氣孔、深坑和裂紋等)進(jìn)行了原位無損修復(fù)，特別是基材為難焊接或不可焊接材料時(shí)更為有效。激光顯微焊優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得內(nèi)應(yīng)力最小、空間界面結(jié)合最好，最少缺陷的立體補(bǔ)焊修復(fù)區(qū)。現(xiàn)已應(yīng)用此技術(shù)成功地修補(bǔ)了我國研制的新機(jī)空心導(dǎo)向葉片的鑄造工藝孔，對(duì)其低壓渦輪1，2級(jí)三連體無余量精鑄導(dǎo)向器葉片大小安裝板上的疏松、縮孔與裂紋等缺陷進(jìn)行了激光補(bǔ)焊，通過了裝機(jī)臺(tái)架試車考核。
總結(jié)
現(xiàn)在，采用激光修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的技術(shù)，已經(jīng)得到許多發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商的認(rèn)可。如羅一羅、普惠、GE等公司都在其發(fā)動(dòng)機(jī)翻修手冊(cè)中介紹了激光焊接技術(shù)。因此，可以預(yù)見激光焊接技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)翻修中的地位將越來越重要。
（轉(zhuǎn)載）
