航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復參數確定

孔凡莉++趙海濤++馬成元

摘 要：鎳基高溫合金被廣泛應用于航空發動機葉片的鑄造中，其所具有的高耐溫性、高耐腐蝕性使得由鎳基高溫合金所鑄造的航空發動機葉片的使用壽命和使用質量大幅提高。航空發動機葉片在工作時會受到熱流、離子流以及空氣中塵埃的高速沖擊，從而導致其工作環境極為惡劣，為提高航空發動機葉片的使用壽命，在航空發動機所使用的鎳基高溫合金中加入了多種合金元素。在航空發動機葉片的鑄造過程中受航空發動機葉片結構、形狀復雜度的影響以及高精度的鑄造要求從而使得航空發動機葉片的精鑄成品率極低，約有50%的航空發動機鑄造葉片會出現縮孔、縮松等的缺陷。為提高航空發動機鑄造葉片的成品率可以有條件的對航空發動機鑄造葉片中的缺陷件進行修復。本文在對航空發動機鑄造葉片缺陷進行分析的基礎上對如何通過使用激光熔覆技術對航空發動機鑄造葉片的缺陷進行修復進行分析介紹。

關鍵詞：航空發動機鑄造葉片；缺陷；激光熔覆修復

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A

航空發動機鑄造葉片的鑄造技術要求高、難度大，從而導致在航空發動機葉片精鑄的過程中有相當一部分的航空發動機葉片鑄造件存在缺陷，在這些缺陷件中有很大一部分存在修復價值。對于航空發動機葉片鑄件的表面修復可以采用真空釬焊、真空涂層法等的方法。但是上述方法在對航空發動機葉片鑄件表面進行修復的過程中所形成的大量熱量將會導致航空發動機葉片出現熱裂紋以及焊接變形等問題，從而導致航空發動機葉片的修復存在較大的局限性。激光熔覆法是一種超快速加熱和超快速冷卻的航空發動機葉片修復法，在對航空發動機葉片表面進行修復時其所產生的熱量少，對于周邊區域的熱影響小。本文將對使用激光熔覆法對航空發動機鑄造葉片表面缺陷修復時的注意要點進行分析介紹。

1.航空發動機缺陷葉片表面熔覆涂層修復試驗

1.1熔覆涂層試驗材料

為更好地驗證航空發動機缺陷葉片激光熔覆參數，通過試驗來確定航空發動機缺陷葉片熔覆修復參數。試驗所使用的航空發動機葉片采用的是K417G鎳基高溫合金。在航空發動機缺陷葉片修復涂層材料上選用的是與鎳基高溫合金K417G相類似的鎳基合金粉末，同時在鎳基合金粉末中加入一定量的Y2O3，通過調整Y2O3的含量配比來找出合適的航空發動機缺陷葉片修復工藝參數。

1.2試驗方法

在驗證航空發動機缺陷葉片的修復方法時，根據在航空發動機缺陷葉片涂覆材料的不同加入不同含量的Y2O3，并將配置好的熔覆材料放置在研缽中進行長時間的研磨以使得涂覆材料得到較為均勻的混合。待到涂覆材料研磨完成后在粉末中加入一定量的醋酸纖維粘結劑使得涂層粉末形成黏糊狀。在對航空發動機缺陷葉片進行激光熔覆修復時，將調拌好的航空發動機缺陷葉片涂覆材料涂抹在經過打磨清洗后的航空發動機缺陷葉片的缺陷處，將其細細壓實并涂抹平整。一般來說，覆蓋在航空發動機缺陷葉片缺陷處的涂覆層的厚度約為0.5mm，而后采用激光器對航空發動機缺陷葉片缺陷處的涂覆層進行激光熔覆修復。待到修復完成后將航空發動機缺陷葉片缺陷處截斷查看截面的修復狀況。

2.航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復結果分析

通過對航空發動機缺陷葉片激光熔覆結果進行分析后發現，在對航空發動機缺陷葉片進行激光熔覆修復時，采用P=1.5kW，V=185±5mm/min，d=3mm且Y2O3的修復工藝參數時，航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復的效果最佳，所觀測到的航空發動機缺陷葉片激光熔覆層的表觀質量最高，其表面并未發現孔洞、裂縫等的缺陷。通過在航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復中改變Y2O3的含量會使得航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復效果產生較大的差異，造成這一現象的主要原因是由于航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復所使用的鎳基合金K417G中所含有的Al、Ti含量較高，由于上述兩種金屬元素的影響從而使得航空發動機缺陷葉片的可焊性受到了極大的影響，從而導致K417G鎳及合金在航空發動機缺陷葉片激光熔覆焊接時容易產生開裂。

此外，K417G中所含有的氮、氧、硫等的雜質元素其由于熔點較低導致其在航空發動機鑄造葉片中形成熔點較低的化合物或是共晶體，這些晶體的存在將會導致晶界的弱化，從而使得航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時會產生高溫開裂的問題。

通過多次對航空發動機缺陷葉片激光熔覆工藝參數進行試驗，發現當Y2O3的含量控制在1.5wt%時，使用航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復技術來對缺陷葉片表面進行修復時將能夠獲得較為良好的修復效果，經過切開修復區域查看后發現航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復區域并未形成裂紋、孔洞等的缺陷。這是由于在對航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復的過程中，航空發動機所使用的K417G鎳基合金中所含有的氫、氮、硫等的雜質元素進入到了高溫熔池中，Y2O3將會在高溫化發生分解，從而生成活性較大的釔離子，分解后所形成的釔離子與K417G合金中的雜質元素有著極強的親和力，通過釔離子的作用將會將K417G合金中的雜質元素析出并浮至熔池的表層上。

因此在航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復中釔離子可以作為清除有害雜質元素的作用，通過消除這些雜質元素可以使得航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復過程中鎳基合金的可修復性大幅提高，從而獲得無裂紋和孔洞的涂層。如在航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復過程中所添加的Y2O3較低時，其在航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復過程中所形成的釔離子將無法將K417G鎳基合金中的雜質完全清除，從而導致殘留的雜質元素影響K417G合金的可焊接性，從而導致航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時容易產生裂紋。而當Y2O3的含量較高時，航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時所性的釔離子含量較高將會導致熔池中液態合金的流動性大幅降低，從而使得釔離子較難與熔池中的雜質形成化合物析出，從而導致航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復后容易形成裂紋缺陷。在航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復的過程中利用低熔點化合物或是共晶相的低熔點特點，可以在熔覆層凝固的過程中將低熔點的化合物或是共晶物排擠在晶界處形成“液態薄膜”，低熔點化合物或是共相晶的凝固要滯后于整個熔覆層的凝固，低熔點化合物或是共晶相凝固將會產生體積的收縮，從而導致航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復后熔覆層產生熱裂紋。

當在對航空發動機缺陷葉片進行修復的過程中采用復合變質劑時將會對航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復過程中的熔覆層組織相貌產生一定的影響。當熔覆涂層中產生大量的柱狀晶時，其將會對航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時的熔覆層的高溫性能產生一定的影響。當在對航空發動機缺陷葉片進行激光熔覆修復時，采用復合變質劑將會導致熔覆層凝固時的形核率大幅提高，形成大量的異質形核的核心，晶核的較多數量將會影響晶核的增大，從而使得航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時所形成的熔覆層組織得到一定程度的細化，從而改變航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時熔覆層的結晶狀態使得熔覆層形成較為細密的等軸晶。

結語

針對航空發動機葉片鑄造過程中所形成的缺陷可以通過采用航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復法進行修復。本文結合航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復法的特點對航空發動機缺陷葉片激光熔覆修復時的工藝參數進行了試驗確定，確保缺陷葉片的修復效果。

參考文獻

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