王輝明，朱紅鋼，耿軍儒，魏　穎，陳　陽

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，陜西西安710021）

TC11鈦合金空氣導管凸臺激光熔覆修復工藝

王輝明，朱紅鋼，耿軍儒，魏穎，陳陽

（中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司，陜西西安710021）

采用激光熔覆工藝對航空發(fā)動機TC11鈦合金空氣導管磨損件進行修復工藝實驗。通過分析熔覆層表面成形、顯微硬度及微觀組織形貌，選出合適的工藝參數(shù)，制定合理的工藝流程，完成了空氣導管的修復。結(jié)果表明：修復區(qū)組織細密，機械加工后的外形尺寸滿足圖紙要求。因此，采用激光熔覆技術(shù)對TC11鈦合金空氣導管磨損件進行修復是可行的。

激光熔覆修復；TC11鈦合金；空氣導管凸臺

某型航空發(fā)動機大修時發(fā)現(xiàn)，空氣導管凸臺配合面在使用過程中造成磨損，其長度約6 mm，深度0.26～0.4 mm。采用氬弧焊工藝修理易使零件產(chǎn)生變形、咬邊等缺陷。激光熔覆技術(shù)具有能量密度集中、熱輸入量小等優(yōu)點，修復時熔化工件表層很薄的金屬而形成熔池，并用同步送粉裝置將金屬粉末以一定的供粉速度送入熔池；當激光束掃描后，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的熔覆層，從而達到恢復幾何尺寸、強化表面的修復目的。由于熔覆層和基體材料形成良好的冶金結(jié)合，結(jié)合強度高，且可獲得細小均勻的顯微組織，熔覆區(qū)微觀組織優(yōu)良，故可獲得具有極優(yōu)異力學性能的耐磨表面。

1　實驗設(shè)備、材料及方法

1.1實驗設(shè)備與材料

實驗設(shè)備采用LSF-IIIC型激光立體成形設(shè)備，其由2.5 kW Slab CO2激光器、數(shù)控機床、氣氛保護箱、送粉系統(tǒng)（載氣式送粉器及同軸送粉噴嘴）及監(jiān)視系統(tǒng)等組成。工作時，氣氛保護箱的氧含量可長期保持在50 mg/L以下、水含量保持在10 mg/L以下，有效保證零件在修復時不被氧化。

實驗選用的基體材料為TC11鈦合金，尺寸為60 mm×30 mm×15 mm。熔覆材料為TC11合金球形粉末，粒度為-80～+320目，化學成分見表1。實驗前，需對合金粉末進行120℃真空烘干處理，減少粉末吸潮對修復質(zhì)量帶來的不良影響。以氬氣作為載粉氣流控制送粉量，載氣流量為1.0～2.5 cm3/s。

表1　TC11鈦合金主要合金元素的化學成分

1.2實驗方法

實驗前，對TC11鈦合金基材表面進行吹砂處理，并用丙酮擦拭干凈。在清理好的試樣上進行激光熔覆工藝實驗，然后對TC11試板線切割并進行金相組織觀察和硬度測試。通過研究修復區(qū)冶金缺陷的形成機理和影響因素的作用機制，結(jié)合性能測試結(jié)果對激光熔覆修復工藝參數(shù)進行優(yōu)化，最后用優(yōu)化后的工藝參數(shù)完成空氣導管磨損件的修復。

激光熔覆修復的基本工藝流程為：損傷評估-清理-激光熔覆修復-熱處理-機械加工零件外形-目視檢查-熒光檢查-X光檢查。具體步驟如下：

（1）空氣導管有4處凸臺，起角向定位的作用。使用過程中造成凸臺配合面的磨損，需在激光熔覆修復前用棉布蘸丙酮擦拭修復區(qū)，去除污物。

（2）采用合適的激光熔覆工藝參數(shù)對缺陷部位進行修復，使其和零件基體結(jié)合良好。

（3）對零件進行熱處理。

（4）對激光熔覆修復區(qū)域進行機械加工，使零件外形尺寸恢復至圖紙尺寸。

（5）對激光熔覆修復區(qū)域進行目視檢查，修復區(qū)外表面應和零件基體平滑轉(zhuǎn)接。

湯翠準備離開，她不忍親眼目睹鏟掘機的魔爪伸向無花果。有人拉住她，手指著她家的廢墟，嘴里嗚里哇啦的。是啞巴。啞巴拉著她朝里面鉆。誰不戀舊？連不會說話的啞巴都這樣。

（6）對激光熔覆修復區(qū)域進行局部熒光檢查，不允許存在裂紋等缺陷。

（7）對激光熔覆修復區(qū)域進行局部X光檢查，不允許存在裂紋等缺陷。

2　實驗結(jié)果及分析

2.1表面成形觀察

從表面成形來看，空氣導管凸臺的修復區(qū)成形表面光滑。經(jīng)機械加工后，外形尺寸符合圖紙要求，熒光檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，修復結(jié)果理想（圖1）。

圖1　空氣導管凸臺激光熔覆修復前后對比

2.2顯微硬度

表2是激光熔覆修復試樣的維氏硬度分布測量結(jié)果。施加載荷為200 g，預加載時間為5 s，主加載時間為15 s，測量點的間隔為0.1 mm。從硬度分布可看出，熔覆區(qū)的平均硬度最高，過渡區(qū)的平均硬度略高于基材區(qū)。

表2　激光熔覆TC11鈦合金顯微硬度　HV0.1

激光熔覆后，TC11鈦合金的金相組織無氣孔、夾渣和裂紋等缺陷，不同區(qū)域亮暗程度不同、界限分明。激光熔覆層的橫截面組織由熔覆區(qū)、過渡區(qū)和基體三部分組成，其形貌分別見圖2a～圖2d。

圖2　空氣導管凸臺激光熔覆顯微組織

從圖2a可看出，熔覆區(qū)組織呈帶狀特征，這是由于多次沉積受熱循環(huán)而引起的。從圖2d可看出，貫穿多個熔覆層的定向生長的柱狀品結(jié)構(gòu)明顯。這是因為在激光熔覆過程中，越靠近熔覆層底部位置熱量輸入越高，其沿熔覆層高度方向的熱量分量也遠大于其他方向，熔池中的合金凝固時呈向基板方向散熱的趨勢。因此，定向凝固使熔覆區(qū)凝固后的組織晶粒向上呈柱狀晶生長。反復的激光沉積、多次的熱循環(huán)作用有利于晶粒長大，所以柱狀晶沿沉積高度方向的長度較大。但由于組織內(nèi)部結(jié)晶學取向的不同，組織呈明暗交替的現(xiàn)象。圖2b是TC11鈦合金鍛件的顯微組織，其內(nèi)部呈典型的雙態(tài)組織形貌，由等軸的初生α相和片狀β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成。熔覆區(qū)為由大量細小的條狀α和β轉(zhuǎn)變組織構(gòu)成的典型魏氏組織，且原始β品界完整清晰，晶粒內(nèi)部還存在取向不同、呈粗片狀無規(guī)則排列的板條α相。在α板條間為細小的β轉(zhuǎn)變組織，這是由于激光熔覆過程冷卻速率較快，在冷卻凝固過程中晶內(nèi)α來不及長大，便以細小條狀α析出，而未析出的β則被保留了下來。

3　結(jié)論

通過對TC11鈦合金空氣導管磨損件進行修復工藝試驗，以及對熔覆區(qū)表面成形、硬度分析、微觀組織分析，得出以下結(jié)論：

（1）從TC11鈦合金空氣導管激光熔覆修復區(qū)宏觀形態(tài)、顯微硬度及金相檢測分析結(jié)果可知，熔覆層與基體實現(xiàn)了冶金結(jié)合，采用激光熔覆技術(shù)對TC11鈦合金空氣導管凸臺磨損進行修復是可行的。

（2）在激光熔覆TC11鈦合金過程中，采用CO2激光器，在激光功率700 W、光束掃描速度5 mm/s、加工點光斑直徑1.2 mm、送粉率9.5 g/min、搭接率40%、單層熔覆厚度0.15 mm的工藝參數(shù)下，可得到組織細密、無冶金缺陷的熔覆層。

（3）激光熔覆TC11鈦合金的熔覆區(qū)和過渡區(qū)的顯微硬度高于基體區(qū)域。

Laser Cladding Repairing Technology for Convex Plate on the TC11 Titanium Alloy Air Guide Tube

Wang Huiming，Zhu Honggang，Geng Junru，Wei Ying，Chen Yang
（AVIC Xi′an Aero-Engine（Group）Ltd.，Xi′an 710021，China）

Using laser cladding technology for TC11 titanium alloy aeroengine air guide tube wear parts repair process test.Forming on the surface of a cladding layer，microhardness and microstructure morphologyanalysis，toselecttheappropriateprocessparameters，formulatethereasonable technological process，completed the repair of air guide tube.The results show that the repair area close，and machining after the dimensions meet the drawing requirements.Therefore，the laser cladding technology for TC11 titanium alloy air guide tube wear parts repair method is feasible.

laser cladding repair；TC11 titanium alloy；convex plate on the air guide tube

TG665

A

1009-279X（2016）04-0062-02

2016-02-24

王輝明，男，1981年生，工程師。