军用飞机金属零件激光增材修复技术的研究进展_徐进军.pdf

军用飞机金属零件激光增材修复技术的研究进展徐进军,张浩,高德晰,湛阳,江茫,高昆,曾全胜*（湖南省飞机维修工程技术研究中心,长沙410124）摘要：激光增材修复技术适用于军用飞机金属零件的快速高效修复，是延长飞行服役年限和提升自主航空维修能力的重要推力。本文介绍了选区激光熔化成形、激光直接沉积成形、激光熔覆以及激光-电弧复合增材制造等激光增材修复技术特点，阐述了激光增材修复过程中常见的塌边、表面球化、气孔以及裂纹等不同尺度缺陷类型并提出了相应的调控方法，总结了激光能量密度、搭接率、填充材料供给速度、保护气体流量、时间参数和扫描路径等激光增材修复技术工艺优化特点以及施加外加能场和优化设计专用填充材料改善修复性能。最后，列举了激光增材修复技术在飞机机翼梁、涡轮叶盘、单晶叶片以及起落架等金属部件维修中的应用，并对激光增材修复技术在辅助系统设计、多能场融合、评价标准制定以及可移动激光增减材修复设备研发等未来的研究重点和趋势进行了探讨。关键词：激光增材修复；军用飞机；金属零部件；航空维修doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000076中图分类号：TG146.21文献标识码：A文章编号：1005-5053(2023)01-0039-12Research progress of laser additive repair technology formilitary aircraft metal partsXUJinjun,ZHANGHao,GAODexi,ZHANYang,JIANGMang,GAOKun,ZENGQuansheng*（HunanAircraftMaintenanceEngineeringTechnologyResearchCenter,Changsha410124,China）Abstract:Laseradditiverepairtechnologyissuitabletorepairthemetalpartsofmilitaryaircraft.Itisanimportantthrusttoprolongtheflightservicelifeandimprovetheabilityofindependentmaintenance.Thispaperintroducedthecharacteristicsoflaseradditiverepairtechnologiessuchasselectivelasermeltingforming,laserdirectdepositionforming,lasercladdingandlaserarccompositeadditivemanufacturing.Thecommontypesofdefectswithdifferentscales,suchasedgecollapse,surfacespheroidization,porosityandcrackintheprocessoflaseradditiverepairweredescribed,andthecorrespondingcontrolmethodswereproposed.Thelaserenergydensity,overlapratio,feedingspeedoffillermaterials,shieldinggasflow,timeparametersandscanningpathoflaseradditiverepairtechnologyweresummarized,andtherepairperformancewasimprovedbytheapplicationofexternalenergyfieldandoptimizationdesignofspecialfillermaterials.Finally,theapplicationoflaseradditiverepairtechnologyinthemaintenanceofaircraftwingbeams,turbineblades,singlecrystalblades,landinggearandothermetalpartswaslisted.Thefutureresearchtrendoflaser additive repair technology in auxiliary system design,multi energy field fusion,evaluation standard formulation wasemphasized,theresearchanddevelopmentofmobilelaseradditiverepairequipmentwerediscussed.Key words:laseradditiverepair；militaryaircraft；metalparts；aviationmaintenance军用飞机在服役过程中，一些关键金属零件因变形、磨损、腐蚀等原因出现裂纹等缺陷，对飞机的飞行安全以及作战能力造成影响1。飞机零件具有较高的附加值，对存在不可接受缺陷但未达报废标准的零件进行及时、可靠的修复，有助于保障飞机的安全性、出勤率以及实现作战能力的最大化2。研发快速有效的航空维修技术也是保障空军战斗能力的内在要求，具有重大的经济效应和战略意义。传统的飞机金属零件修复主要集中在表面处2023年第43卷航空材料学报2023，Vol.43第1期第3950页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.1pp.3950理工程和焊接修复技术，如增材制造、激光熔覆、激光熔凝、冷喷涂、电弧堆焊以及搅拌摩擦焊等3。上述技术具有修复成本低、灵活性强、技术应用成熟以及使用范围广等优势，但也存在易污染环境、易损伤基体材料、修复区结合力不强、修复精度以及自动化程度较低等缺点4。激光增材修复（laseradditiverepair，LAR）技术是激光增材制造技术在金属零件修复领域的具体运用。通过对零件中损伤部位进行准确建模后开展定制化修复，具有修复速度快、效率高以及修复后零件性能优良等优势5。LAR 技术已在飞机机翼前缘、发动机叶片、垂尾梁、摇臂、支架以及起落架活塞杆等损伤金属零件的修复中获得成功运用，部分零件已通过了多次装机应用和验证考核，应用范围不断扩大，必将在航空维修领域受到更多关注6。本文介绍激光增材修复技术特点，阐述激光增材修复过程中常见的缺陷类型，总结激光增材修复技术工艺优化特点以及在维修中的应用，并对激光增材修复技术未来的研究重点和趋势进行探讨。1 LAR 技术特点激光增材制造技术是激光熔覆和激光快速成型技术的有机结合，主要以金属粉末或者丝材为原材料，将 CAD 目标成形模型进行分层处理，再利用高能激光束熔化原材料实现堆积生长成形，是一种能够快速将复杂结构的三维数据模型直接转化为实体零件的数字化制造技术2,5。在具体运用过程中，采用预置金属粉末方式的称为选区激光熔化成形技术，采用同步输送金属粉末或者丝材的称为激光直接沉积成形技术。国内外众多学者，又将激光直接沉积成形技术称为定向能量沉积、激光金属直接成形、激光近净成形、直接激光制造、形状沉积制造以及激光立体成形等技术3-6。选区激光熔化成形技术是控制高能量的激光束按照预定的扫描路径，熔化预先铺覆好的金属粉末后逐层熔覆堆积，冷却凝固后成形的一种技术7-8。激光选区熔化技术原理图如图 1（a）所示。由于铺粉类固有的工艺特征，决定了选区激光熔化成形技术对于大型复杂构件的修复存在局限性2,4-6。激光直接沉积成形技术是以金属粉末/丝材为填充原料，采用高能激光束将填充材料逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术9-10，其原理如图 1（b）所示。旁轴送材方式加工平台易搭建，但送材方向性较强，输送材料容易受热不均匀；当激光扫描路径较为复杂时，旁轴送材方式的成形控制难度增加。激光束同轴送材方式则无方向性问题，能保证任意路径下熔覆层的一致性，从而获得更为广泛的应用5-6。按照激光束和金属粉末的相对位置，同轴送粉方式又可分为光外同轴送粉和光内同轴送粉6，如图 2 所示。同轴送粉方式的金属粉末与激光束同步输出并汇聚于激光焦点处，能提升粉末利用率，设备简单且更适合精密成形。与金属粉末相比，制备丝材所需成本更低，所以光丝同轴激光增材制造技术近年来也受到极大关注11。与常规激光熔覆技术相比，超高速激光熔覆使粉束汇聚点位于熔池上方，同时提高光束和粉束的汇聚性，大部分激光能量（约 80%）作用于合金粉末，使粉末在落入熔池前处于熔化或者半熔化的状态，进而减小了粉末在熔池内的熔化时间，减少激光对基体材料的热输入量，成形质量优良12-13。超高速激光熔覆的沉积速率由常规激光熔覆的 0.52m/min 提升至 20500m/min，单次熔覆厚度能够控制在 0.021.0mm，可直接用于修复较薄零件14。该技术具有更高的工作效率，如果能代替常规激光熔覆技术与快速成型技术相结合，将有助于推进LAR 技术的进一步发展。激光-电弧复合增材制造技术是将激光和电弧两者的热源进行复合，共同作用于材料待熔化区域，其交互作用能够产生优势互补效果14。在成形过程中，先启动电弧能量使材料发生熔化，激光能稳定电弧且能对熔池产生搅拌作用，可促进气孔的快速逸出，并使形核生长的晶粒破碎从而细化晶粒。气孔数量的减少以及晶粒的细化，能使修复零部件具有更好的力学性能。与激光增材制造技术相比，LAR 技术有其自身的特殊性，需要根据修复对象的损伤类型和结构特点进行工艺规划，并且要考虑与零件基体的结合效果。飞机零部件 LAR 工艺流程主要包括：（1）借助清洗设备对缺陷零件进行清洗处理，并对零件进行无损检测判定损伤类型以及安全评估，结合相应的修理手册标准评估其可修复性。（2）受损区域形式多样，为方便激光扫描路径的形貌特征需求、增强修复效果，对受损部位按修理标准进行 V 型或 U 型等规则化处理。对缺乏原始三维设计数据的零件，利用工业 CT、三维激光扫描仪等对待修复区域进行精确测量。（3）采用逆向建模技术进行数据处理，获得光顺的曲面、平面、实体等特征，再构建较为完整的40航空材料学报第43卷X-stageY-stageZ-stageSpincoaterMulti axisplatformControlsystemLiftingplatformScraperShieldinggas(a)(b)Forming cavityFormedpartControlsystemX-stageY-stageZ-stageSpincoaterArgonCoaxialpowdersupplyFormingcylinderPowdercylinderPowderfeederPowderseparatorOptical mirrorLaserbeamsLaserBeam splitterBeam expanderScanninggalvanometerFocusinglensLaserSide shaftfeedingWire supplyDuster图1激光增材制造技术原理图（a）激光选区熔化技术7-8；（b）激光直接沉积成形技术9-10Fig.1Schematicdiagramoflaseradditivemanufacturingtechnology（a）laserselectivemeltingtechnology7-8；（b）laserdirectdepositionformingtechnology9-10Metal powderFormed layerSubstrateMolten poolFormed layerSubstrateMolten poolMetal powderLaser beamLaserbeam(a)(b)图2同轴送粉原理示意图6（a）光外同轴送粉；（b）光内同轴送粉Fig.2Schematicdiagramofcoaxialpowderf