飞机钛合金结构损伤与激光再制造技术

飞机钛合金结构损伤与激光再制造技术

学习报告

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飞机钛合金结构损伤与激光再制造技术学习报告

报告会上，***教授怀揣一颗赤子之心首先向母校送去了心中最诚挚的祝福，他恭贺母校60华诞，并祝愿母校辛勤的老师们再续辉煌，祝同学们学习进步，学业有成。他说，永远不会忘记母校的培育之恩，母校是自己前进的发动机、增速器，一定不会辜负母校对自己的殷殷厚望。随后，***教授以《飞机钛合金结构损伤与激光再制造技术》为题进行了学术报告。他以平实的语言向大家介绍了我国航空材料钛合金在航空结构上的应用、性质及其构件的损伤等知识，并详细地介绍了他所研究的飞机激光再制造技术所取得的成果和未来发展方向。

钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。钛合金主要用于制作飞机发动机压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

激光再制造技术是一种全新概念的先进修复技术，它集先进的激光熔覆加工工艺技术、激光熔覆材料技术和其他多种技术于一体，不仅可以使损伤的零部件恢复外形尺寸，还可以使其使用性能达到甚至超过新品的水平，是重大工程装备修复新的发展方向。

激光再制造技术体系

激光再制造技术是装备制造技术、材料科学技术、激光加工工艺技术等多种技术相结合而形成的有效的科学技术体系。

激光再制造技术的核心技术是激光熔覆技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在材料表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，以改善工件表面性能。激光熔覆技术是一种新的表面改性技术，与传统的喷焊或堆焊工艺相比，激光熔覆技术具有如下优点。

激光束的能量密度高，只要注入较少的能量就可以完成激光熔覆。零件热影响区小，变形小，因此适合强化或修复一些高精度零件或对变形要求严格的零件，如精轧辊的表面强化处理。

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激光熔覆层稀释率低，且可以精确控制，熔覆层的成分与性能主要取决于熔覆材料的成分。因此，可以采用各种性能优良的材料对基材表面进行改性。特别是可以采用激光熔覆技术修复一些常规堆焊工艺无法实现的工件，如涡轮发动机叶片、轧辊的主轴、电机主轴等。（3）激光熔覆层组织致密，微观缺陷少，熔覆层与基材为冶金结合，强度高，因此可以用于一些重载条件下零件的表面强化与修复，如大型轧辊、大型齿轮、大型曲轴等。

（4）激光熔覆层的尺寸大小和位置可以精确控制，设计专门的导光系统，可对深孔、内孔、凹槽、盲孔等部位进行激光处理。采用一些特殊的导光系统如宽带扫描系统，可以使单道激光熔覆层宽度达到20～30mm，每次熔覆大厚度可达3mm以上。通过多道搭接可以实现工件表面的大面积和大厚度激光熔覆，满足不同形状、尺寸的轧辊等典型易损件的激光表面强化与修复的要求。

激光熔覆专用合金粉末的设计、选择与正确使用是该项技术能否成功的关键。在选择激光熔覆材料时，首先要考虑熔覆层与基材的热膨胀系数差异，同时，要力求采用相对于基体材料具有适宜熔点的涂层材料。合金粉末不仅要与基材的性能接近，而且要能满足熔覆件的使用性能要求。在实际应用中，熔覆材料多选择Co-Cr基、Ni-Cr基、Fe-Cr基合金粉末，并配以一定数量的陶瓷材料，如WC、TiC、AlO、VC、BN、ZrO、SiC、BC等，形成致密的超硬金属陶瓷涂层，厚度可达0.1～10多mm。

激光熔覆工艺包括：激光熔覆功率大小、光斑大小、扫描速度和搭接量等。在具体操作过程中，根据激光熔覆基材、激光熔覆合金粉末材料和激光熔覆零件的不同，应选择适当的激光熔覆工艺参数。

激光熔覆技术结合强度计算与寿命评估技术、无损检测与缺陷判断技术、故障诊断与失效分析技术和行业机组技术才能顺利完成重大装备的激光再制造。

激光再制造技术特点

激光再制造是以丧失使用价值的损伤、废旧零部件作为再制造毛坯，利用以激光熔覆技术为主的高新技术对其进行批量化修复、性能升级，所获得的激光再制造产品在技术性能上和质量上都能达到甚至超过新品的水平，它具有优质、高效、节能、节材、环保的基本特点。

激光再制造技术的最大优势是能以先进的激光熔覆技术方法制备出优于基

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体材料性能的覆层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。这层表面材料厚度从几十微米到十几毫米，与制作部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，但却承担着工作部件的主要功能，使工件具有比本体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力，可大大节约贵重的金属材料。激光再制造技术减少了装备制造时金属的冶炼和加工，可以减少大量的能源消耗和浪费。激光加工技术是一种非接触、无污染、低噪声、节省被加工材料的绿色加工技术。

激光再制造技术的应用

（1）烟气轮机是石化行业催化裂化装置中重要的能量回收设备，由于在高温、粉尘和腐蚀的环境下工作，烟气轮机频繁发生故障，严重影响企业生产与经济效益。在实际应用中，烟气轮机转子轴径及推力盘、动叶片及静叶环、轮盘、气封面和导流锥体都可实施激光再制造。

（2）汽轮机是火力发电厂的核心设备，由于汽轮机特殊的工作条件，导致每年都有大量的机组零部件损伤，采用激光再制造技术对汽轮机的一些关键零部件，如主轴轴径（现场可移动式激光再制造）、动叶片、汽封齿、推力盘、喷嘴、隔板、围带、缸体等进行性能恢复和提升，可节约大量资金和原材料。

（3）现代燃气轮机由压气机、燃烧室和透平组成，压气机和透平为高速旋转的叶轮机械，是气流能量与机械功之间相互转换的关键部件，由于其在高达1300℃的高温条件下工作，经常会发生损伤。2007年3月，某公司从国外引进的Tornado型双轴式地面燃机在运行中出现故障，生产受到严重威胁。停机后检查发现，一、二级动叶部分叶片排气边撞击缺口及磕痕、叶冠掉块、叶盆或背部烧蚀、叶顶通气冷却孔烧蚀、部分叶片有裂纹，一、二级喷嘴大部叶片有烧蚀缺口裂纹，已无法使用。沈阳大陆激光技术有限公司采用激光再制造技术将其缺陷全部修复完好，恢复其使用性能，费用仅140万元，还不到新机组价格的1/10。

（4）钢铁生产过程中，热轧机械设备的工况十分恶劣。特别是轧机工作过程中，轧辊通过轴承座对机架牌坊的冲击大，轧制冷却水遇到红灼的钢坯迅速雾化，夹带着从钢坯表面脱落的氧化铁粉末向四周喷射。受轧制的冲击、冷却水腐蚀和氧化粉尘等磨粒影响，轧机机架牌坊内侧窗口面、机架牌坊底面、外机架辊平面和内机架辊安装孔等均会出现不同程度的腐蚀磨损。2007年11月，沈阳大陆激光技术有限公司对宝钢条钢厂1初轧线的轧机牌坊用双激光器、双机器人同

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时连续作业96h，现场完成了轧机牌坊表面的防腐耐磨处理。

4.激光再制造技术发展前景展望

激光再制造技术是符合国家循环经济和可持续发展战略的绿色制造技术，也

是国家重点支持的高新技术之一。随着基础研究工作的不断深入，激光再制造技术的应用范围也将不断扩大。我国有几万亿元的设备资产，每年因磨损和腐蚀而使设备停产、报废所造成的损失都愈千亿元，这为激光再制造技术带来了广阔的市场应用前景。

在此次学术报告会上，***教授态度平和、谦逊真诚，赢得了在场师生的敬重，报告一结束，同学们争先恐后地向他提出了专业及成长等问题，***教授一一详细解答，报告会使在场的师生感受颇深，受益匪浅。作为一名学习从事材料成型方面的学生能够聆听到这样一场精彩的讲座真的是受益匪浅，在此再次感谢教授的精彩讲座！

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