中科院沈阳自动化所赵吉宾：复杂薄壁航空铝合金构件激光增材修复技术研究

2019年6月28日，激光制造与再制造技术及应用研讨会 在北京兴基铂尔曼酒店召开。现场专业人士众多，南极熊3D打印网是本次研讨会的合作媒体。


下面是现场速记，或许有些不完美之处，但总体上干货信息量很大，值得阅读。

董世运：下面一个报告有请中科院沈阳自动化所的赵吉宾研究员给我们做报告，他的题目是“复杂薄壁航空铝合金构件激光增材修复技术研究”，大家欢迎。
    赵吉宾：各位专家，各位朋友，下午好，我今天汇报的题目是“航空铝合金构件的激光增材修复技术”，我这两年做了铝合金构件方面的激光增材技术，今天给大家汇报一下，互相交流学习。
    汇报的主要内容包含以下几个方面。我们知道铝合金材料在我们日常生活也好、工艺生产也好，应用非常多。别的我不说了，在民用客机上，铝合金材料的占比占60%以上。关于铝合金按照重量来说，它的重量占到80%，经济意义上铝合金材料占到40%。但是铝合金材料在飞机上如果服役时间超过20年，有些部分零件就会失效，如果失效这是一个很大的问题，比如说现在我们国家有一些战斗机还是由俄罗斯出口。比如苏27、苏30、苏35，还有大量飞机，有些飞机的零件现在还是没有备品，或者处于孤件的状态，往往这些零件不能得到高质量修复，导致飞机无法服役。
    飞机上铝合金构件缺陷比较多，一个是零部件比较多，铝合金零部件达到5000件以上，而且损伤类型也更大。损伤类型包含掉块、冲蚀、磨损、裂纹，材料方法非常多。还有铝合金牌号多达近百种。
    现在铝合金修复常用的几种方法，一个是电弧堆焊修复，还有热输入量大，导致零件修复过程变形。再有热喷涂技术，刷刷镀技术，结合强度低，只适应于表面修复。另外是激光直接金属沉积修复，热数量低，得到了很多应用。
    再有，增材修复及再制造技术，绿色、智能化技术，可以实现自动化加工，零件通过再制造可以恢复到原来的零件性能或者接近零件性能，体现了智能化和绿色化。
    但是铝合金修复也存在几个难点，一个是熔点比较低，所以对沉积过程中的形态控制比较难。再有一个对激光的吸收率比较差，另外它的界面张力比较低，所以特别形成缩口等凝固缺陷，显著降低合金强度。最后需要专门开发热处理工艺。
    第二部分国内外研究现状。对于国内外做激光修复的很多，比如德国、加拿大、英国、美国密歇根大学，我不一一介绍，因为这个文献非常多。还有出名的是英国的罗尔斯罗伊斯公司、美国通用公司、美国普惠公司在航空机叶片修复做得非常多。
    国内有一个华中科技大学专门做激光修复的，非常好。装甲兵工程学院在理论研究和开发方面做了非常卓有成效的工作。
    对于铝合金材料修复来说，一个是加拿大麦吉尔大学，它做单道30层，主要研究微观表现，发现从顶层开始向底部铝合金的变化。还有密歇根大学研究了组织的变化，还有美国韦恩州立大学主要研究扫描的变化。国内西北工业大学在研究铝合金修复的时候，发现在沉积层里面有气孔缺陷，国内西安交大也在做这方面的工作。
    总的来说，利用激光增材修复技术可以进行核心零件的修复，有许多的优势。一个是修复的强度和硬度力学指标基本可以达到原件设备，通过合理的热处理工艺，甚至超越原件水平。第二是熔覆层与机体有比较优异的强度。第三，通过热处理可以改善修复区域的微观组织，使微观组织细化。
    下面是我在这几个方面做的一些工作。我主要解决这几个方面的问题，一个是形貌控制，一个是缺陷控制，还有一个性能调控，形状和性能的控制。
    第一是铝合金零件修复宏观形貌控制。我们知道铝合金对于激光的反射率比较高，资料上说反射率达到80%以上，但是在激光沉积过程中，它的情况比较复杂，我后面会介绍。还有一点，在沉积过程中，对氧含量的控制非常严格。
    我们看这两个表格，实际上铝合金粉末对于激光的吸收率还是比较高的，可以达到61%，实际上接近钢体材料，但是它对于板材来说，对激光能量的吸收就比较低了，因为激光沉积制造是通过两个方面，一个是通过熔化粉末，还有为了成型文件，要保持熔池的形状，因为熔池表面我们把它简化，所以保持熔池的形状非常困难。
    为此，我们分两个方面。第一是控制氧气含量，在加工过程中，我们做了一个氛围保护装置。第二，我们要加环境的温度控制。其他我们在加工过程中要控制加工的参数，一个是激光功率，我们知道如果功率过低，就会使它产生夹层和不良，如果功率过高就会产生热积累，容易产生熔塌现象。一般情况下，在做激光沉积过程中，我们一般设置一定的复离焦量，在激光沉积的过程中产生形貌自愈合效应，自动消除在熔覆过程中产生的凹凸不平的现象。
    还有搭接率、扫描方式。对于大尺寸零件激光熔覆需要选择合理的搭接率以保证熔覆层的情况。通过优化可以实现增材修复宏观形貌控制，使它具有一定的稳定性。经过工艺优化之后，理论上可以做任意大小的零件。
    第二，我们铝合金零件微观缺陷的控制，因为在这个铝合金对氢的溶解度较大，第二表面张力比较小，特别容易产生气泡，从而导致沉积层内部产生气孔和缩孔现象，在沉积过程中会产生材料的分层现象。为此我们做了很多的实验，一个是进行不同扫描速度的沉积实验，我们会发现如果工艺参数设置不合理，就会在上半部产生很多的轨迹。
    实验表明，如果我们提升这个扫描速度，这个孔隙率会降低，通过分析这些孔隙，它少部分由于粉末熔化导致的缺陷，还有大部分的孔隙内部是孔壁比较光滑的气孔，我们分析它是由卷入性气体导致的气孔。为什么，因为在铝合金成型过程中，因为界面特别容易吸收保护气体中的气氛，较低的表面张力导致气体不容易排出，所以说我们如果加快这个扫描速度，因为这个凝固速率的加快，使得界面与气氛接的时间变短，更利于气体的排出和孔隙率的降低。
    同时，我们做了一些其他的不同扫描方式和实验，比如我们做了扫描方式送粉率和不同沉积表面的程度。实验结果表明，如果提高扫描速度，降低送粉速率和改变激光入射的角度，都可以大大降低沉积层之内的孔隙率。
    第三，我们在零件修复过程中的组织性能调控。因为铝合金的激光沉积方向性比较明显，因此我们设立专门的热处理工艺。通过热处理之后，我们发现沉积层的组织会大大细化，而且热处理之后，不影响它变得更加细小。同时界面部分结合的也更加多，主要的热处理工艺，我们也参照了101库容处理规范，开发热处理工艺。结果表明如果激光沉积抗拉强度170兆帕，通过热处理厚后可以达到303兆帕。做拉伸实验实验的时候，基本在增材部分。增材部分在界面部分，性能都可以超过基材，我们挑了不敏感的零件，这样一个缺损了，也是飞机上的重要零件，这样采用增材修复的方法，先进行修复的处理，再进行一些工艺实验和计算的模拟仿真，最后做修复。经过热处理之后，我们再进行X光的检测和拉伸等等测试。同时在缺陷控制方面，我们通过优化条件，熔池的尺寸以及介入等优化，控制内部的缺陷。这是我们的制作过程，最后都已经装机应用。
    实际上在飞机上，铝合金零件还是很多的，很多都需要修复，我们只是做了这里边的一部分，这是我列过一部分的文件。同时，我们也在其他材料修复方面做了一些工作，比如说裂纹的修复，我们做的是航空发动机，它裂纹的修复要求整体变形要小于1%，还有航空发动机压气机机匣。同时也要求整体变形要小于1%。还有一个是薄壁零件，比如汽车减速机的端盖，也是由于冲压超差需要修复1毫米的厚度，也是一个不锈钢的材料。同时对整体变形有比较严格的要求。
    再有一个应用就是一些损伤，比如模具镶块的损伤，我们也进行修复，它是不锈钢的修复。还有我们做了卫星矢量发动机催化床外壁的技术，要求修复后的应用。主要的工作就是这些，谢谢大家。

董世运：中科院沈阳自动化所做了大量的工作，增材制造方面，做了膜试验，打磨，哪位有问题？
    提问：赵主任，关于铝合金的修复也是近两年来的热点，有很多单位找我。你能不能给介绍一下，关于铝合金激光修复这一块，气孔现在能控制到什么程度，有什么好的办法？
    赵吉宾：气孔现在基本上可以做到各种检测，它检测不出来，但是实际上我们做的一些也能发现，但是从力学上基本能达到应用的需求，各种指标能达到，但是想控制孔隙率非常低，也是非常难的，我们做了非常多的工作。要说达到多少，现在还真是没有把握说实话，你知道确实铝合金修复方面，或者铝合金的增材还是有一定的困难。


激光制造与再制造技术及应用研讨会 介绍

会议以激光技术、增材制造及再制造相关光电技术为主题，针对航空航天交通领域高质量复杂产品的全产业链以及全寿命维护等迫切需求，开展面向增材制造及再制造的设计、材料、工艺及装备、检测以及标准规范等相关光电技术应用研讨，提升增材制造及再制造技术的数 字化、智能化、高稳定能力，驱动中国制造高质量发展。

新一轮科技革命和产业变革与我国加快转变经济发展方式形成历史性交汇，为我国实施创新驱动发展战略提供了难得的重大机遇。制造业是创新驱动的主战场，推动制造业先进性发展，是扭转制造业低质低效、重塑产业竞争力，实现新旧动能转换的关键所在。大力发展先进制造业，是加快制造强国建设步伐，加速推动经济发展由数量和规模扩张向质量和效益提升转变的重要途径，以实际行动贯彻落实党的十九大精神的具体体现。

主办单位：
中国光学工程学会
北京亦庄国际投资发展有限公司
承办单位：
国际激光技术产业及应用协同联盟
再制造技术国家级重点实验室
高能束流加工技术国家级重点实验室
增材制造航空科技重点实验室
高能束流增量制造工艺及装备北京市重点实验室
会议网址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html