中科院沈陽自動化所趙吉賓：復雜薄壁航空鋁合金構件激光增材修復技術研究

2019年6月28日，激光制造與再制造技術及應用研討會 在北京興基鉑爾曼酒店召開。現(xiàn)場專業(yè)人士眾多，南極熊3D打印網(wǎng)是本次研討會的合作媒體。


下面是現(xiàn)場速記，或許有些不完美之處，但總體上干貨信息量很大，值得閱讀。

董世運：下面一個報告有請中科院沈陽自動化所的趙吉賓研究員給我們做報告，他的題目是“復雜薄壁航空鋁合金構件激光增材修復技術研究”，大家歡迎。
    趙吉賓：各位專家，各位朋友，下午好，我今天匯報的題目是“航空鋁合金構件的激光增材修復技術”，我這兩年做了鋁合金構件方面的激光增材技術，今天給大家匯報一下，互相交流學習。
    匯報的主要內容包含以下幾個方面。我們知道鋁合金材料在我們日常生活也好、工藝生產(chǎn)也好，應用非常多。別的我不說了，在民用客機上，鋁合金材料的占比占60%以上。關于鋁合金按照重量來說，它的重量占到80%，經(jīng)濟意義上鋁合金材料占到40%。但是鋁合金材料在飛機上如果服役時間超過20年，有些部分零件就會失效，如果失效這是一個很大的問題，比如說現(xiàn)在我們國家有一些戰(zhàn)斗機還是由俄羅斯出口。比如蘇27、蘇30、蘇35，還有大量飛機，有些飛機的零件現(xiàn)在還是沒有備品，或者處于孤件的狀態(tài)，往往這些零件不能得到高質量修復，導致飛機無法服役。
    飛機上鋁合金構件缺陷比較多，一個是零部件比較多，鋁合金零部件達到5000件以上，而且損傷類型也更大。損傷類型包含掉塊、沖蝕、磨損、裂紋，材料方法非常多。還有鋁合金牌號多達近百種。
    現(xiàn)在鋁合金修復常用的幾種方法，一個是電弧堆焊修復，還有熱輸入量大，導致零件修復過程變形。再有熱噴涂技術，刷刷鍍技術，結合強度低，只適應于表面修復。另外是激光直接金屬沉積修復，熱數(shù)量低，得到了很多應用。
    再有，增材修復及再制造技術，綠色、智能化技術，可以實現(xiàn)自動化加工，零件通過再制造可以恢復到原來的零件性能或者接近零件性能，體現(xiàn)了智能化和綠色化。
    但是鋁合金修復也存在幾個難點，一個是熔點比較低，所以對沉積過程中的形態(tài)控制比較難。再有一個對激光的吸收率比較差，另外它的界面張力比較低，所以特別形成縮口等凝固缺陷，顯著降低合金強度。最后需要專門開發(fā)熱處理工藝。
    第二部分國內外研究現(xiàn)狀。對于國內外做激光修復的很多，比如德國、加拿大、英國、美國密歇根大學，我不一一介紹，因為這個文獻非常多。還有出名的是英國的羅爾斯羅伊斯公司、美國通用公司、美國普惠公司在航空機葉片修復做得非常多。
    國內有一個華中科技大學專門做激光修復的，非常好。裝甲兵工程學院在理論研究和開發(fā)方面做了非常卓有成效的工作。
    對于鋁合金材料修復來說，一個是加拿大麥吉爾大學，它做單道30層，主要研究微觀表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)從頂層開始向底部鋁合金的變化。還有密歇根大學研究了組織的變化，還有美國韋恩州立大學主要研究掃描的變化。國內西北工業(yè)大學在研究鋁合金修復的時候，發(fā)現(xiàn)在沉積層里面有氣孔缺陷，國內西安交大也在做這方面的工作。
    總的來說，利用激光增材修復技術可以進行核心零件的修復，有許多的優(yōu)勢。一個是修復的強度和硬度力學指標基本可以達到原件設備，通過合理的熱處理工藝，甚至超越原件水平。第二是熔覆層與機體有比較優(yōu)異的強度。第三，通過熱處理可以改善修復區(qū)域的微觀組織，使微觀組織細化。
    下面是我在這幾個方面做的一些工作。我主要解決這幾個方面的問題，一個是形貌控制，一個是缺陷控制，還有一個性能調控，形狀和性能的控制。
    第一是鋁合金零件修復宏觀形貌控制。我們知道鋁合金對于激光的反射率比較高，資料上說反射率達到80%以上，但是在激光沉積過程中，它的情況比較復雜，我后面會介紹。還有一點，在沉積過程中，對氧含量的控制非常嚴格。
    我們看這兩個表格，實際上鋁合金粉末對于激光的吸收率還是比較高的，可以達到61%，實際上接近鋼體材料，但是它對于板材來說，對激光能量的吸收就比較低了，因為激光沉積制造是通過兩個方面，一個是通過熔化粉末，還有為了成型文件，要保持熔池的形狀，因為熔池表面我們把它簡化，所以保持熔池的形狀非常困難。
    為此，我們分兩個方面。第一是控制氧氣含量，在加工過程中，我們做了一個氛圍保護裝置。第二，我們要加環(huán)境的溫度控制。其他我們在加工過程中要控制加工的參數(shù)，一個是激光功率，我們知道如果功率過低，就會使它產(chǎn)生夾層和不良，如果功率過高就會產(chǎn)生熱積累，容易產(chǎn)生熔塌現(xiàn)象。一般情況下，在做激光沉積過程中，我們一般設置一定的復離焦量，在激光沉積的過程中產(chǎn)生形貌自愈合效應，自動消除在熔覆過程中產(chǎn)生的凹凸不平的現(xiàn)象。
    還有搭接率、掃描方式。對于大尺寸零件激光熔覆需要選擇合理的搭接率以保證熔覆層的情況。通過優(yōu)化可以實現(xiàn)增材修復宏觀形貌控制，使它具有一定的穩(wěn)定性。經(jīng)過工藝優(yōu)化之后，理論上可以做任意大小的零件。
    第二，我們鋁合金零件微觀缺陷的控制，因為在這個鋁合金對氫的溶解度較大，第二表面張力比較小，特別容易產(chǎn)生氣泡，從而導致沉積層內部產(chǎn)生氣孔和縮孔現(xiàn)象，在沉積過程中會產(chǎn)生材料的分層現(xiàn)象。為此我們做了很多的實驗，一個是進行不同掃描速度的沉積實驗，我們會發(fā)現(xiàn)如果工藝參數(shù)設置不合理，就會在上半部產(chǎn)生很多的軌跡。
    實驗表明，如果我們提升這個掃描速度，這個孔隙率會降低，通過分析這些孔隙，它少部分由于粉末熔化導致的缺陷，還有大部分的孔隙內部是孔壁比較光滑的氣孔，我們分析它是由卷入性氣體導致的氣孔。為什么，因為在鋁合金成型過程中，因為界面特別容易吸收保護氣體中的氣氛，較低的表面張力導致氣體不容易排出，所以說我們如果加快這個掃描速度，因為這個凝固速率的加快，使得界面與氣氛接的時間變短，更利于氣體的排出和孔隙率的降低。
    同時，我們做了一些其他的不同掃描方式和實驗，比如我們做了掃描方式送粉率和不同沉積表面的程度。實驗結果表明，如果提高掃描速度，降低送粉速率和改變激光入射的角度，都可以大大降低沉積層之內的孔隙率。
    第三，我們在零件修復過程中的組織性能調控。因為鋁合金的激光沉積方向性比較明顯，因此我們設立專門的熱處理工藝。通過熱處理之后，我們發(fā)現(xiàn)沉積層的組織會大大細化，而且熱處理之后，不影響它變得更加細小。同時界面部分結合的也更加多，主要的熱處理工藝，我們也參照了101庫容處理規(guī)范，開發(fā)熱處理工藝。結果表明如果激光沉積抗拉強度170兆帕，通過熱處理厚后可以達到303兆帕。做拉伸實驗實驗的時候，基本在增材部分。增材部分在界面部分，性能都可以超過基材，我們挑了不敏感的零件，這樣一個缺損了，也是飛機上的重要零件，這樣采用增材修復的方法，先進行修復的處理，再進行一些工藝實驗和計算的模擬仿真，最后做修復。經(jīng)過熱處理之后，我們再進行X光的檢測和拉伸等等測試。同時在缺陷控制方面，我們通過優(yōu)化條件，熔池的尺寸以及介入等優(yōu)化，控制內部的缺陷。這是我們的制作過程，最后都已經(jīng)裝機應用。
    實際上在飛機上，鋁合金零件還是很多的，很多都需要修復，我們只是做了這里邊的一部分，這是我列過一部分的文件。同時，我們也在其他材料修復方面做了一些工作，比如說裂紋的修復，我們做的是航空發(fā)動機，它裂紋的修復要求整體變形要小于1%，還有航空發(fā)動機壓氣機機匣。同時也要求整體變形要小于1%。還有一個是薄壁零件，比如汽車減速機的端蓋，也是由于沖壓超差需要修復1毫米的厚度，也是一個不銹鋼的材料。同時對整體變形有比較嚴格的要求。
    再有一個應用就是一些損傷，比如模具鑲塊的損傷，我們也進行修復，它是不銹鋼的修復。還有我們做了衛(wèi)星矢量發(fā)動機催化床外壁的技術，要求修復后的應用。主要的工作就是這些，謝謝大家。

董世運：中科院沈陽自動化所做了大量的工作，增材制造方面，做了膜試驗，打磨，哪位有問題？
    提問：趙主任，關于鋁合金的修復也是近兩年來的熱點，有很多單位找我。你能不能給介紹一下，關于鋁合金激光修復這一塊，氣孔現(xiàn)在能控制到什么程度，有什么好的辦法？
    趙吉賓：氣孔現(xiàn)在基本上可以做到各種檢測，它檢測不出來，但是實際上我們做的一些也能發(fā)現(xiàn)，但是從力學上基本能達到應用的需求，各種指標能達到，但是想控制孔隙率非常低，也是非常難的，我們做了非常多的工作。要說達到多少，現(xiàn)在還真是沒有把握說實話，你知道確實鋁合金修復方面，或者鋁合金的增材還是有一定的困難。


激光制造與再制造技術及應用研討會 介紹

會議以激光技術、增材制造及再制造相關光電技術為主題，針對航空航天交通領域高質量復雜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈以及全壽命維護等迫切需求，開展面向增材制造及再制造的設計、材料、工藝及裝備、檢測以及標準規(guī)范等相關光電技術應用研討，提升增材制造及再制造技術的數(shù) 字化、智能化、高穩(wěn)定能力，驅動中國制造高質量發(fā)展。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國實施創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅動的主戰(zhàn)場，推動制造業(yè)先進性發(fā)展，是扭轉制造業(yè)低質低效、重塑產(chǎn)業(yè)競爭力，實現(xiàn)新舊動能轉換的關鍵所在。大力發(fā)展先進制造業(yè)，是加快制造強國建設步伐，加速推動經(jīng)濟發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴張向質量和效益提升轉變的重要途徑，以實際行動貫徹落實黨的十九大精神的具體體現(xiàn)。

主辦單位：
中國光學工程學會
北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國際激光技術產(chǎn)業(yè)及應用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術國家級重點實驗室
高能束流加工技術國家級重點實驗室
增材制造航空科技重點實驗室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點實驗室
會議網(wǎng)址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html