激光熔覆L-605（Haynes 25）鈷基合金材料修復(fù)受損的RR501K燃油噴嘴空氣帽

美國聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）航空系統(tǒng)部門是專業(yè)設(shè)計(jì)、制造、集成、修復(fù)和翻修燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃油輸送零件的公司。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)需要在高溫度下運(yùn)行，才能使燃料轉(zhuǎn)化的能量最大化。因此，燃燒部件需要經(jīng)受極其惡劣的環(huán)境，在高溫以及高振動(dòng)和高壓力下運(yùn)行。為了能夠抵抗這種環(huán)境，燃燒部件需要高度工程化，并且使用高強(qiáng)度合金材料，通常情況下是鎳或鈷基合金。由于惡劣的工作環(huán)境，燃燒部件會受到不同程度的磨損和微動(dòng)損傷。

燃油噴嘴是羅爾斯.羅伊（Rolls-Royce）501K引擎中容易受到磨損的一個(gè)組件，該引擎被用來為美國海軍驅(qū)逐艦提供動(dòng)力。其外部的空氣導(dǎo)風(fēng)槽與圓形旋流器的接口處會受到大量的磨損 。典型的維修過程包括卸下磨損的零件、進(jìn)行更換、焊接或釬焊上替換的零件、重做熱循環(huán)的無損檢測（NDT）以及重新認(rèn)證。這個(gè)過程需要幾周時(shí)間，而且價(jià)格非常昂貴。

美國國家科學(xué)研究委員會（NRC）通過其位于倫敦、加拿大安大略省分部的研究已開發(fā)出一種獨(dú)特的激光熔覆/熔凝技術(shù)，可以讓復(fù)雜的網(wǎng)狀功能零件實(shí)現(xiàn)從CAD設(shè)計(jì)到直接生產(chǎn)的環(huán)節(jié)，從而減少生產(chǎn)周期、材料的浪費(fèi)和模具成本。

-–實(shí)驗(yàn)信息

L-605（Haynes 25）合金是鈷基合金，具有良好的抗氧化和耐腐蝕性能，以及在高溫下的高強(qiáng)度性質(zhì)。L-605在很多噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的零件中得到很好的應(yīng)用。其中包括渦輪葉片、燃燒室、加力燃燒室部件和渦輪環(huán)。氣體霧化L 605合金粉末的球形大小為15到45微米，可以用于激光熔覆修復(fù)。

在這里，使用耦合了光纖加工頭的Lasag Nd：YAG激光器來進(jìn)行L-605的激光熔覆。激光在40-100W平均功率的脈沖模式下工作。Sulzer Metco 9MP送粉器用于運(yùn)送L605粉末通過噴嘴進(jìn)入熔池，送粉速度為5-10克/分鐘。使用五軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在室溫下進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，整個(gè)加工過程是在氧含量低于50ppm的手套箱中進(jìn)行。

-–結(jié)果與討論

- 金相檢驗(yàn)

作為熔覆層的L605的微觀結(jié)構(gòu)由內(nèi)有細(xì)枝晶的柱狀晶粒組成?；瘜W(xué)蝕刻顯示柱狀枝晶跨越了多個(gè)沉積層（圖1a）。不同的灰度表明柱狀晶粒的不同晶體取向。通過掃描電鏡觀察可以進(jìn)一步確認(rèn)不同取向的晶粒都含有定向凝固的枝晶，并且能繼續(xù)生長到鄰近的沉積層。一次枝晶臂間距（PDAS）大約為1-2微米；二次枝晶臂間距（SDAS）大約為0.5-1.0微米。

作為熔覆層的L605和作為基材的鍛L-605之間的接觸面存在金屬鍵結(jié)合。柱狀晶粒在基材L-605中顯示出鏡像的晶體取向。通過掃描電鏡觀察證實(shí)了作為熔覆層的L605和作為基材的鍛L-605之間的界面存在金屬鍵結(jié)合。在固溶處理（1232℃/小時(shí)）后，熔覆層L605中的柱狀枝晶結(jié)構(gòu)完全消失，并再結(jié)晶成非均勻的等軸晶粒。熔覆層L605中的再結(jié)晶晶粒比鍛L605基材中的要小很多。

- 高溫疲勞測試

高溫疲勞測試在538℃(1000℉)下進(jìn)行。在相對較低的最大應(yīng)力水平400MPa時(shí)，激光熔覆L605和鍛L605基材的基線標(biāo)本達(dá)到200，000個(gè)循環(huán)。在相對較高的最大應(yīng)力水平450MPa時(shí)，激光熔覆L605標(biāo)本的平均疲勞壽命為16，850個(gè)循環(huán)，這相當(dāng)于（或略高于）鍛L605基材的基線標(biāo)本（平均疲勞壽命為15，600個(gè)循環(huán)）。有趣地是，在425MPa的最大應(yīng)力水平時(shí)，三個(gè)激光熔覆L605的標(biāo)本達(dá)到200，000個(gè)循環(huán)，另一個(gè)止步于32，500個(gè)循環(huán)。激光熔覆L605的標(biāo)本的平均壽命大約158，000個(gè)循環(huán)，與鍛L605的基線標(biāo)本（平均壽命約17，000個(gè)循環(huán)）相比，激光熔覆L605的疲勞壽命顯示出極大的改善。激光熔覆L-605提高的疲勞壽命(與鍛L-605基材相比)可能歸功于其更精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的硬度。

- 滑動(dòng)磨損試驗(yàn)

在室溫下使用銷- 盤式試驗(yàn)裝置（Falex ISC Tribometer）進(jìn)行滑動(dòng)磨損試驗(yàn)。鈷2（Stellite 20合金）球在以下條件下測試：法向載荷為150克，滑動(dòng)速度為66毫米/秒，滑動(dòng)距離為3000米。使用固溶熱處理(1232℃，1小時(shí))和退火（732℃，100小時(shí)）處理后的鍛L605作為基線標(biāo)本來進(jìn)行比較。

熔覆層L-605的試樣 （為了模擬修理過的噴嘴，不做任何熱處理）的耐磨性能可以與固溶熱處理過的鍛L605（模擬新的燃油噴嘴）相媲美，比退火過的鍛L605（模擬長期工作過的燃油噴嘴）更為出色。

-–三維投影

UTC開發(fā)出一種可以修復(fù)具有復(fù)雜幾何形狀的受損燃料噴嘴零件的方法，其中包括清洗受損噴嘴的表面、在線測量受損噴嘴的表面（三維投影）、對個(gè)別噴嘴自動(dòng)進(jìn)行數(shù)控編程、用激光熔覆技術(shù)來修復(fù)燃油噴嘴的受損區(qū)域、最后的機(jī)械加工、對修復(fù)后的噴嘴進(jìn)行無損探傷檢驗(yàn)。

激光熔覆技術(shù)要求獲取破損表面的精確的輪廓信息，這樣才能確定修復(fù)路徑。為了確保實(shí)現(xiàn)精確的修復(fù)，需要測量每個(gè)受損噴嘴的空氣帽的外部尺寸。

NRC開發(fā)了一個(gè)以激光掃描儀為基礎(chǔ)的在線測量系統(tǒng)，用來測量受損的RR501K噴嘴的空氣帽表面。該系統(tǒng)由一個(gè)激光位移傳感器和一個(gè)測量控制器組成，并且可以通過標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出界面集成到任何數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，并且針對多軸在線測量應(yīng)用可以比較容易地進(jìn)行升級。與CAD模型（包括樣品尺寸誤差、傳感器誤差、測量干擾、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)誤差、夾具尺寸誤差等）相比，該系統(tǒng)的最大絕對誤差約為0.09mm，重復(fù)性（最大偏差）約為0.06mm。

每個(gè)RR5 0 1K噴嘴零件通過簡單的夾具安裝在橫向定位的旋轉(zhuǎn)桌上，然后按照標(biāo)準(zhǔn)修復(fù)程序來清理表面，并使用在線測量系統(tǒng)來測量其受損的空氣帽表面。測量路徑是依據(jù)RR501K噴嘴空氣帽的形狀和位置來預(yù)先設(shè)計(jì)的。通過用戶界面來控制測量過程，并顯示測量結(jié)果。根據(jù)在線測量結(jié)果，NRC開發(fā)的一個(gè)軟件模塊能針對每一個(gè)被測量的RR501K噴嘴空氣帽來自動(dòng)生成其特定的修復(fù)路徑。使用500瓦的Nd：YAG激光器進(jìn)行激光熔覆L-605合金可以成功修復(fù)受損的噴嘴空氣帽。

將激光熔覆修復(fù)后的RR501K噴嘴空氣帽進(jìn)行表面機(jī)械加工，并進(jìn)行剖面觀察以檢查修復(fù)質(zhì)量。光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果表明，激光熔覆L605層與受損的L-605噴嘴表面的金屬鍵結(jié)合的情況非常好。高放大倍率的掃描電鏡觀察進(jìn)一步證實(shí)了激光熔覆 L-605與L-605基材間形成了很好的金屬鍵結(jié)合。沒有觀察到裂縫或孔隙。激光熔覆L605層具有非常精細(xì)的枝晶微觀結(jié)構(gòu)，而L-605基材具有單軸晶粒結(jié)構(gòu)。

通過機(jī)械加工，激光熔覆修復(fù)的燃油噴嘴的表面具有良好的光潔度。無損探傷檢查（染料滲透、X射線等等）顯示在激光熔覆修復(fù)后的RR501K燃油噴嘴空氣帽上沒有檢測到缺陷。

-–小結(jié)

- 激光熔覆L605層與鍛L605基材之間形成致密的良好的金屬鍵結(jié)合。

- 在538℃（1000℉）下與鍛L-605基線標(biāo)本進(jìn)行比較，激光熔覆L605標(biāo)本的疲勞壽命顯示出相當(dāng)?shù)男阅芑蛘邩O大的改善。

- 激光熔覆L605標(biāo)本的疲勞壽命獲得提高，可能歸因于其非常精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的硬度。

- 與鍛L-605基線標(biāo)本相比，激光熔覆L605標(biāo)本具有略高的硬度和相當(dāng)?shù)哪突瑒?dòng)磨損性能。

- 在用激光熔覆L-605材料來修復(fù)受損的RR501K燃油噴嘴空氣帽的過程中，使用了NRC開發(fā)的三維投影系統(tǒng)。

- 修復(fù)后的燃油噴嘴根據(jù)客戶的技術(shù)要求通過了金相檢驗(yàn)和無損探傷檢驗(yàn)。

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