某型辅助动力装置燃油盖基体材料激光增材修复研究_林开章.pdf

2023年 第4期 热加工110增 材 制 造Additive Manufacturing某型辅助动力装置燃油盖基体材料激光增材修复研究林开章，李威，刘默天，蒲金魁成都国营锦江机器厂 四川成都 610043摘要：某型辅助动力装置燃油盖使用时，夹层钎料老化剥落，端面发生漏油。通过激光增材技术在燃油盖基体0Cr15Ni5Cu2Ti钢上进行工艺研究，确定17-4PH粉末在0Cr15Ni5Cu2Ti钢上的熔覆性能，通过金相、力学性能试验证明了激光增材修复0Cr15Ni5Cu2Ti钢的可行性。结果表明：采用17-4PH粉末增材的材料比原0Cr15Ni5Cu2Ti钢有更高的抗拉强度，且熔覆区无气孔、裂纹等缺陷，热影响区宽度为3050m。对燃油盖端面开V形槽，在激光熔覆下用17-4PH金属粉末可解决端面漏油问题，恢复使用性能。关键词：燃油盖；17-4PH；激光增材1 序言17-4PH是应用最为广泛的一种沉淀硬化不锈钢，含有Cu、Nb和Ta成分，因而具有优异的耐腐蚀性能，常用于石油、天然气及航空航天等领域1。0Cr15Ni5Cu2Ti也是一种沉淀硬化马氏体不锈钢，固溶后空冷至室温即可获得马氏体结构，时效过程中析出富Cu的金属间化合物，产生沉淀硬化，在最终热处理状态下具有较高的强度2。工厂在修的某型国外制造的辅助动力装置燃油盖（见图1）在故障检修时发现端面存在积炭，清洗分解后分析积炭产生的原因是端面夹层钎料脱落漏油所致。由于该燃油盖的采购周期长，制造厂生产能力不足，因此无法满足在修机型的生产任务保障。环通过钎焊的方法连接而成。此外，因为油道内衬套覆盖一层氧化铝涂层，所以在焊接修复时不能对氧化铝涂层产生影响。钎焊的特点之一是钎料的熔点一般低于基材熔化温度3，因此原钎料采用相同钎焊的方法进行修复时存在钎料再熔化的问题，会影响产品原有钎焊缝质量。依据现有的焊接方法，可以选择氩弧焊或激光增材来实现燃油盖端面修复。氩弧焊操作简单，但大面积焊接时热输入大、应力大4，容易导致产品变形而影响装配，还会对油道内衬套的氧化铝涂层产生影响，焊接修复成功率不高。激光熔覆采用高能量密度的激光束，热输入量相对氩弧焊较小5，可保证在不影响氧化铝涂层的情况下实现端面焊接修复的目的，同时变形较小6。因此，选择激光熔覆作为燃油盖端面修复的方法，对产品修理工艺进行研究，确定熔覆工艺参数，完成燃油盖端面裂纹的修复。3 研究过程3.1 增材材料的选取（1）成分对比 燃油盖材料为0Cr15Ni5Cu2Ti钢，该材料属于沉淀硬化型马氏体不锈钢7。针对该材料，选用奥氏体不锈钢316L和马氏体不锈钢17-4PH两种粉末进行激光熔覆研究，以对比两种粉末在基体材料上的熔覆性能。材料的化学成分见表1。图1产品实物2 修复方法确定燃油盖端面由油道外衬套、油道内衬套、油道2023年 第4期 热加工111增 材 制 造Additive Manufacturing表1基体材料以及粉末的化学成分（质量分数）（%）材料CrNiMoTiCuMnFe0Cr15Ni5Cu2Ti钢13.514.84.85.80.30.030.151.752.51 基体316L1618 1014 232 基体17-4PH1517.535Nb：0.150.45351 基体（2）力学性能试验 按照HB/Z 200752018结构钢和不锈钢构件激光直接沉积修复工艺及质量检验完成拉伸试样的制作（见图2）。试样分为两组（编号A、B），每组3个试样。基体材料为0Cr15Ni5Cu2Ti钢，A组采用316L粉末，B组采用17-4PH粉末。激光增材设备为南京辉锐20SER-2000。拉伸试样经表面、X射线和金相检测，均未发现裂纹、气孔、未熔合等缺陷，拉伸试验结果见表2。由表2可知，采用17-4PH粉末制作的试样强度均高于316L粉末制作的试样，且17-4PH粉末试样的断裂位置为基体，说明焊缝的强度高于母材强度。因此，对于燃油盖端面的激光增材修复可选用17-4PH粉末。行开V形槽加工。如图3所示，方法一中激光增材难度较为简单，但为保证增材层有一定的强度和密封性，因此需增材一定高度。方法二中激光增材时需先将V形槽进行增材，完成后再对整个面进行增材，保证尺寸加工余量，整体增材量小于方法一，但熔覆层与基体的接触面积大，可提高增材层和基体的整体受力。图2拉伸试样a）方法一 b）方法二图3端面熔覆后界面示意a）端面未开槽、加水 b）端面开槽、未加水图4产品焊后界面金相组织表2拉伸试验结果编号抗拉强度/MPa平均抗拉强度/MPa断裂位置A组762.2、746.4、888.2798.9热影响区B组1103.3、1114.2、1128.91115.5基材3.2 燃油盖修复研究（1）产品漏油端面加工 产品漏油端面渗漏点位于外衬套与油道内衬套之间，该处因钎焊缝连接失效而产生裂纹，为将端面漏油处封堵，需将两者失效部位重新构建有效的连接。本试验对比了两种不同端面的修复方法。方法一：将端面车削0.5mm高度为平面；方法二：采用在漏油点圆周方向上进按两种方法进行激光增材后，对燃油盖端面进行金相检查，结果如图4所示。熔覆区与基体结合良好，有明显的熔合线，热影响区在3050m之间，母材均存在错落分布的板条马氏体，因此激光增材的方法对原材料影响小。如图4a所示，夹层钎缝处没有产生裂纹，熔覆层能很好地将基体材料连接起来。图4b所示为裂纹从基体夹层钎缝处向熔覆层延展情况。由此可知，方法二的熔覆效果优于方法一。经过对比分析，方法一产生裂纹是因为激光直接熔覆时，夹层钎缝处本身是一个间隙，凝固时不能很好地将间隙重熔愈合，影响熔覆成形。在材料熔覆过程中，缝隙两边的基体材料与金属粉末熔合，在凝固应力和热应力影响下，缝隙处则因为有活动空间，所以可承接基材一部分应力释放。熔覆2023年 第4期 热加工112增 材 制 造Additive Manufacturing层与基材接触面在缝隙处为悬空状态，为整个熔覆层与基体界面最薄弱处，该部分熔覆层受到基材应力影响，形成沿钎缝脱开处往熔覆层扩展的裂纹。方法二则不存在裂纹的情况，激光熔覆充填V形槽时，光斑并未定位在钎缝处，而是借助旁边基体先进行熔覆，然后从另一边进行熔覆，借助熔池将原钎焊脱开处进行封闭，增材层顺序如图5所示。焊前对燃油盖端面进行开V形槽处理，可以有效地避免裂纹延伸，提高焊接修复合格率。基体材料组织较大变化，因此依据各项检测结果制定相应工艺，可保证产品质量。4 燃油盖端面裂纹修复按研究确定的流程对产品进行增材修复，经焊后目视检查、端面尺寸加工、无损检测、流量及气密检查、试车考核等，结果符合服役性能要求。对产品内孔尺寸进行测量，焊后尺寸为40.014mm，在产品装配要求范围内。由此可看出，采用现有工艺流程及措施可恢复产品使用性能。5 结束语1）激光增材修复燃油盖时，17-4PH粉末制作的试样强度高于316L粉末制作的试样强度，且17-4PH粉末熔覆位置材料的强度高于基体材料。2）燃油盖端面修复时，平端面开V形槽有助于提高熔覆效果，在夹层处未产生裂纹向熔覆层扩展，能有效修复夹层间隙，且能保证产品尺寸控制要求。3）17-4PH和316L在0Cr15Ni5Cu2Ti钢基体上熔覆时，由外到里依次为熔覆层、熔合区和热影响区。熔覆层无气孔、裂纹等缺陷，熔合区良好，呈明亮的白线，热影响区较窄，宽度为3050m。参考文献：1 任超，李铸国，疏达，等17-4PH不锈钢表面激光熔覆Stellite6涂层组织及耐水蚀性能J中国激光，2017，44（4）：107-114.2 白青青时效处理对06Cr15Ni5Cu2Ti钢组织和力学性能的影响J钢铁钒钛，2020，41（3）：137-142.3 张学军航空钎焊技术M北京：航空工业出版社，2008.4 张学军焊接技术在航空部件修复中的应用J航空维修与工程，2014（5）：47-48.5 张柯柯，涂益民特种先进连接方法M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.6 张学军焊接技术在航空部件修复中的应用J航空维修与工程，2014（5）：47-48.7 中国航空材料手册编辑委员会中国航空材料手册：结构钢 不锈钢M北京：中国标准出版社，2001.20230124图5增材层顺序（2）焊接变形的控制 燃油盖内孔尺寸要求为40+0.027 0mm，虽然激光增材中热源集中、变形小，但多道增材会使产品增加较多热量，在热应力作用下导致产品的变形。因此，为保证产品尺寸需在焊接过程中采取相应措施，减少变形。具体措施：一是装配工装；二是产品水冷。从生产实践中可以发现，工装是尺寸控制的主要手段，因此这里仅对水冷处理进行焊后尺寸对比。在激光增材后对产品进行尺寸测量，结果见表3。产品在装配工装的情况下，采取水冷和非水冷措施焊后尺寸均在技术要求范围内，但是方法一尺寸偏上限，容易导致尺寸超差。同时方法一在焊接时，水受热产生的水蒸气导致激光经过时产生散射，光焦偏移，影响焊接质量，并且产品放在水里影响了粉末的回收利用。另外，从尺寸变化可看出，熔覆方式对尺寸也有一定影响。表3产品激光增材后尺寸激光增材尺寸40+0.027 0/mm方法一40.025方法二40.018焊后对组织形貌进行金相检测，热影响区宽度均150m。由于采用激光增材的工艺未造成原有