中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所趙吉賓：復(fù)雜薄壁航空鋁合金構(gòu)件激光增材修復(fù)技術(shù)研究

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


下面是現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)：下面一個(gè)報(bào)告有請(qǐng)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所的趙吉賓研究員給我們做報(bào)告，他的題目是“復(fù)雜薄壁航空鋁合金構(gòu)件激光增材修復(fù)技術(shù)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(bào)的題目是“航空鋁合金構(gòu)件的激光增材修復(fù)技術(shù)”，我這兩年做了鋁合金構(gòu)件方面的激光增材技術(shù)，今天給大家匯報(bào)一下，互相交流學(xué)習(xí)。
    匯報(bào)的主要內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面。我們知道鋁合金材料在我們?nèi)粘Ｉ�活也好、工藝生產(chǎn)也好，應(yīng)用非常多。別的我不說(shuō)了，在民用客機(jī)上，鋁合金材料的占比占60%以上。關(guān)于鋁合金按照重量來(lái)說(shuō)，它的重量占到80%，經(jīng)濟(jì)意義上鋁合金材料占到40%。但是鋁合金材料在飛機(jī)上如果服役時(shí)間超過(guò)20年，有些部分零件就會(huì)失效，如果失效這是一個(gè)很大的問(wèn)題，比如說(shuō)現(xiàn)在我們國(guó)家有一些戰(zhàn)斗機(jī)還是由俄羅斯出口。比如蘇27、蘇30、蘇35，還有大量飛機(jī)，有些飛機(jī)的零件現(xiàn)在還是沒(méi)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(zhì)量修復(fù)，導(dǎo)致飛機(jī)無(wú)法服役。
    飛機(jī)上鋁合金構(gòu)件缺陷比較多，一個(gè)是零部件比較多，鋁合金零部件達(dá)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(hào)多達(dá)近百種。
    現(xiàn)在鋁合金修復(fù)常用的幾種方法，一個(gè)是電弧堆焊修復(fù)，還有熱輸入量大，導(dǎo)致零件修復(fù)過(guò)程變形。再有熱噴涂技術(shù)，刷刷鍍技術(shù)，結(jié)合強(qiáng)度低，只適應(yīng)于表面修復(fù)。另外是激光直接金屬沉積修復(fù)，熱數(shù)量低，得到了很多應(yīng)用。
    再有，增材修復(fù)及再制造技術(shù)，綠色、智能化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，零件通過(guò)再制造可以恢復(fù)到原來(lái)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(fù)也存在幾個(gè)難點(diǎn)，一個(gè)是熔點(diǎn)比較低，所以對(duì)沉積過(guò)程中的形態(tài)控制比較難。再有一個(gè)對(duì)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(qiáng)度。最后需要專門開(kāi)發(fā)熱處理工藝。
    第二部分國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。對(duì)于國(guó)內(nèi)外做激光修復(fù)的很多，比如德國(guó)、加拿大、英國(guó)、美國(guó)密歇根大學(xué)，我不一一介紹，因?yàn)檫@個(gè)文獻(xiàn)非常多。還有出名的是英國(guó)的羅爾斯羅伊斯公司、美國(guó)通用公司、美國(guó)普惠公司在航空機(jī)葉片修復(fù)做得非常多。
    國(guó)內(nèi)有一個(gè)華中科技大學(xué)專門做激光修復(fù)的，非常好。裝甲兵工程學(xué)院在理論研究和開(kāi)發(fā)方面做了非常卓有成效的工作。
    對(duì)于鋁合金材料修復(fù)來(lái)說(shuō)，一個(gè)是加拿大麥吉爾大學(xué)，它做單道30層，主要研究微觀表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)從頂層開(kāi)始向底部鋁合金的變化。還有密歇根大學(xué)研究了組織的變化，還有美國(guó)韋恩州立大學(xué)主要研究掃描的變化。國(guó)內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)在研究鋁合金修復(fù)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在沉積層里面有氣孔缺陷，國(guó)內(nèi)西安交大也在做這方面的工作。
    總的來(lái)說(shuō)，利用激光增材修復(fù)技術(shù)可以進(jìn)行核心零件的修復(fù)，有許多的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)是修復(fù)的強(qiáng)度和硬度力學(xué)指標(biāo)基本可以達(dá)到原件設(shè)備，通過(guò)合理的熱處理工藝，甚至超越原件水平。第二是熔覆層與機(jī)體有比較優(yōu)異的強(qiáng)度。第三，通過(guò)熱處理可以改善修復(fù)區(qū)域的微觀組織，使微觀組織細(xì)化。
    下面是我在這幾個(gè)方面做的一些工作。我主要解決這幾個(gè)方面的問(wèn)題，一個(gè)是形貌控制，一個(gè)是缺陷控制，還有一個(gè)性能調(diào)控，形狀和性能的控制。
    第一是鋁合金零件修復(fù)宏觀形貌控制。我們知道鋁合金對(duì)于激光的反射率比較高，資料上說(shuō)反射率達(dá)到80%以上，但是在激光沉積過(guò)程中，它的情況比較復(fù)雜，我后面會(huì)介紹。還有一點(diǎn)，在沉積過(guò)程中，對(duì)氧含量的控制非常嚴(yán)格。
    我們看這兩個(gè)表格，實(shí)際上鋁合金粉末對(duì)于激光的吸收率還是比較高的，可以達(dá)到61%，實(shí)際上接近鋼體材料，但是它對(duì)于板材來(lái)說(shuō)，對(duì)激光能量的吸收就比較低了，因?yàn)榧す獬练e制造是通過(guò)兩個(gè)方面，一個(gè)是通過(guò)熔化粉末，還有為了成型文件，要保持熔池的形狀，因?yàn)槿鄢乇砻嫖覀儼阉��?jiǎn)化，所以保持熔池的形狀非常困難。
    為此，我們分兩個(gè)方面。第一是控制氧氣含量，在加工過(guò)程中，我們做了一個(gè)氛圍保護(hù)裝置。第二，我們要加環(huán)境的溫度控制。其他我們?cè)诩庸み^(guò)程中要控制加工的參數(shù)，一個(gè)是激光功率，我們知道如果功率過(guò)低，就會(huì)使它產(chǎn)生夾層和不良，如果功率過(guò)高就會(huì)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(guò)程中，我們一般設(shè)置一定的復(fù)離焦量，在激光沉積的過(guò)程中產(chǎn)生形貌自愈合效應(yīng)，自動(dòng)消除在熔覆過(guò)程中產(chǎn)生的凹凸不平的現(xiàn)象。
    還有搭接率、掃描方式。對(duì)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(guò)優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)增材修復(fù)宏觀形貌控制，使它具有一定的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)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?yàn)樵谶@個(gè)鋁合金對(duì)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(dǎo)致沉積層內(nèi)部產(chǎn)生氣孔和縮孔現(xiàn)象，在沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生材料的分層現(xiàn)象。為此我們做了很多的實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是進(jìn)行不同掃描速度的沉積實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)如果工藝參數(shù)設(shè)置不合理，就會(huì)在上半部產(chǎn)生很多的軌跡。
    實(shí)驗(yàn)表明，如果我們提升這個(gè)掃描速度，這個(gè)孔隙率會(huì)降低，通過(guò)分析這些孔隙，它少部分由于粉末熔化導(dǎo)致的缺陷，還有大部分的孔隙內(nèi)部是孔壁比較光滑的氣孔，我們分析它是由卷入性氣體導(dǎo)致的氣孔。為什么，因?yàn)樵阡X合金成型過(guò)程中，因?yàn)榻缑嫣貏e容易吸收保護(hù)氣體中的氣氛，較低的表面張力導(dǎo)致氣體不容易排出，所以說(shuō)我們?nèi)绻�加快這個(gè)掃描速度，因?yàn)檫@個(gè)凝固速率的加快，使得界面與氣氛接的時(shí)間變短，更利于氣體的排出和孔隙率的降低。
    同時(shí)，我們做了一些其他的不同掃描方式和實(shí)驗(yàn)，比如我們做了掃描方式送粉率和不同沉積表面的程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(nèi)的孔隙率。
    第三，我們?cè)诹慵�修�?fù)過(guò)程中的組織性能調(diào)控。因?yàn)殇X合金的激光沉積方向性比較明顯，因此我們?cè)O(shè)立專門的熱處理工藝。通過(guò)熱處理之后，我們發(fā)現(xiàn)沉積層的組織會(huì)大大細(xì)化，而且熱處理之后，不影響它變得更加細(xì)小。同時(shí)界面部分結(jié)合的也更加多，主要的熱處理工藝，我們也參照了101庫(kù)容處理規(guī)范，開(kāi)發(fā)熱處理工藝。結(jié)果表明如果激光沉積抗拉強(qiáng)度170兆帕，通過(guò)熱處理厚后可以達(dá)到303兆帕。做拉伸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，基本在增材部分。增材部分在界面部分，性能都可以超過(guò)基材，我們挑了不敏感的零件，這樣一個(gè)缺損了，也是飛機(jī)上的重要零件，這樣采用增材修復(fù)的方法，先進(jìn)行修復(fù)的處理，再進(jìn)行一些工藝實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的模擬仿真，最后做修復(fù)。經(jīng)過(guò)熱處理之后，我們?cè)龠M(jìn)行X光的檢測(cè)和拉伸等等測(cè)試。同時(shí)在缺陷控制方面，我們通過(guò)優(yōu)化條件，熔池的尺寸以及介入等優(yōu)化，控制內(nèi)部的缺陷。這是我們的制作過(guò)程，最后都已經(jīng)裝機(jī)應(yīng)用。
    實(shí)際上在飛機(jī)上，鋁合金零件還是很多的，很多都需要修復(fù)，我們只是做了這里邊的一部分，這是我列過(guò)一部分的文件。同時(shí)，我們也在其他材料修復(fù)方面做了一些工作，比如說(shuō)裂紋的修復(fù)，我們做的是航空發(fā)動(dòng)機(jī)，它裂紋的修復(fù)要求整體變形要小于1%，還有航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣。同時(shí)也要求整體變形要小于1%。還有一個(gè)是薄壁零件，比如汽車減速機(jī)的端蓋，也是由于沖壓超差需要修復(fù)1毫米的厚度，也是一個(gè)不銹鋼的材料。同時(shí)對(duì)整體變形有比較嚴(yán)格的要求。
    再有一個(gè)應(yīng)用就是一些損傷，比如模具鑲塊的損傷，我們也進(jìn)行修復(fù)，它是不銹鋼的修復(fù)。還有我們做了衛(wèi)星矢量發(fā)動(dòng)機(jī)催化床外壁的技術(shù)，要求修復(fù)后的應(yīng)用。主要的工作就是這些，謝謝大家。

董世運(yùn)：中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所做了大量的工作，增材制造方面，做了膜試驗(yàn)，打磨，哪位有問(wèn)題？
    提問(wèn)：趙主任，關(guān)于鋁合金的修復(fù)也是近兩年來(lái)的熱點(diǎn)，有很多單位找我。你能不能給介紹一下，關(guān)于鋁合金激光修復(fù)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(cè)，它檢測(cè)不出來(lái)，但是實(shí)際上我們做的一些也能發(fā)現(xiàn)，但是從力學(xué)上基本能達(dá)到應(yīng)用的需求，各種指標(biāo)能達(dá)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(shuō)達(dá)到多少，現(xiàn)在還真是沒(méi)有把握說(shuō)實(shí)話，你知道確實(shí)鋁合金修復(fù)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(shù)及應(yīng)用研討會(huì) 介紹

會(huì)議以激光技術(shù)、增材制造及再制造相關(guān)光電技術(shù)為主題，針對(duì)航空航天交通領(lǐng)域高質(zhì)量復(fù)雜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈以及全壽命維護(hù)等迫切需求，開(kāi)展面向增材制造及再制造的設(shè)計(jì)、材料、工藝及裝備、檢測(cè)以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等相關(guān)光電技術(shù)應(yīng)用研討，提升增材制造及再制造技術(shù)的數(shù) 字化、智能化、高穩(wěn)定能力，驅(qū)動(dòng)中國(guó)制造高質(zhì)量發(fā)展。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國(guó)加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國(guó)實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機(jī)遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的主戰(zhàn)場(chǎng)，推動(dòng)制造業(yè)先進(jìn)性發(fā)展，是扭轉(zhuǎn)制造業(yè)低質(zhì)低效、重塑產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。大力發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，是加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)步伐，加速推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴(kuò)張向質(zhì)量和效益提升轉(zhuǎn)變的重要途徑，以實(shí)際行動(dòng)貫徹落實(shí)黨的十九大精神的具體體現(xiàn)。

主辦單位：
中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)
北京亦莊國(guó)際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國(guó)際激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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