激光再制造技术在飞机维修中的应用

重庆灿之光科技有限公司黄灿弗戈工业在线 2016-03-10

激光再制造是将激光束照射到工件的表面，以激光的高能量来切除、熔化材料以及改变物体表面性能，从而实现修复或粉料与基体冶金力学结合的工艺。

1. 激光再制造技术的原理与特点

由于激光再制造是无接触式加工，工具不会与工件的表面直接磨察产生阻力，所以激光再制造的速度极快、加工对象受热影响的范围较小而且不会产生噪音。

由于激光束的能量和光束的移动速度均可调节，因此激光再制造可应用到不同层面和范围上。激光再制造的作用原理图如图1所示：

图1 激光立体成形原理图

激光再制造技术与传统的热喷涂、堆焊、表面涂覆、电镀等传统的工艺相比，具备以下优势：

a) 利用激光再制造技术对零部件进行修复后，可使原零部件“变废为宝”，且性能得到提高，这是其他工艺技术无法替代的，尤其是对于稀缺的关重零部件显得尤为重要;

b) 利用激光再制造技术对零部件进行表面合金化后，赋予零部件耐高温，防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能，这层表面材料厚度从几十微米到几毫米，使工件具有了比基体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等能力。零部件表面性能得到极大提升，使用寿命更长;

c) 激光再制造后的零部件，由于热影响区很小，所以尺寸精度更高;

d) 激光再制造技术生产效率高，因为可以尽可能的确保生产效率;

e) 激光再制造技术非常环保。

2. 国内外现状

2.1国外工业激光现状与趋势

国外以美、德、日为代表的几个发达国家在激光再制造产业领域的发展迅速，它们在主要的大型制造产业，如汽车、电子、机械、航空、钢铁等行业中基本完成了用激光再制造工艺对传统工艺的更新换代，进入“光制造”时代。

激光在工业制造中所显示出的低成本、高效率以及应用的巨大潜力，成为世界主要工业国家间互相竞争的动力，纷纷将激光技术作为本国重要的尖端技术给予积极支持，加紧制定国家级激光产业发展计划。

美国通过其“精密激光机械加工(PLM)协会”来激励其新工艺技术的发展，力求使美国工业激光器技术在世界上处于领先的地位，并在世界市场中获得较大的份额。

德国制订了国家激光发展计划，促使德国激光器和激光工业应用后来居上，位于世界领先地位。激光设备在德国汽车和机械制造中的广泛应用，使其在这些领域内的竞争能力近年来得到显著提高。并制订了德国“光学促进计划”，将激光技术作为重中之重，认为未来所有制造加工业中有12%以上的加工工艺需要用激光技术来替代。

除此之外，英国“阿维尔计划”、日本“激光研究五年计划”，甚至俄罗斯、韩国、新加坡、印度也制订有专门的激光技术发展计划。

根据国际激光行业权威刊物《LASER FOCUS WORLD》每年发布的统计资料表明，全球激光器产业市场发展迅猛，激光产品销售每年平均以高于10%的速度增长，并呈现出加速增长的趋势。2008年世界激光产业仅激光器(不包括广泛用于通信和家电的半导体激光器)年产值就超过了70亿美元，激光再制造装备年产值超过了130亿美元。

激光工业装备制造企业由研究型的单台特种设备制造企业，发展到标准化、规模化生产的跨国公司。国外许多知名激光企业均通过兼并重组快速发展壮大。德国通快公司(Trumpf)通过兼并、重组，成为拥有7家从事激光产品生产的企业，成为当今世界上激光装备制造产业的霸主。

美国相干公司(Coherent)在2001年初将医疗激光集团出售给以色列ESC/Sharplan公司后，购买了几家从事工业激光产品制造的公司，专著于工业激光领域的技术研究和产品开发。这些大型企业的形成，一方面推动了激光应用技术与产业走向新的发展阶段，另一方面也表明这些厂商正在谋求规模化发展，提升激光设备的性能价格比，以便垄断市场。

国外工业激光的发展趋势体现在以下几个方面：

1)鲜明的产品差异化特色，核心竞争力明显

鲜明的差异化产品特色也成为国外著名激光企业的核心竞争力。典型代表有：德国Trumpf公司生产的高功率轴快流CO2激光器和碟片激光器及其加工系统、德国Rofin公司生产的板条激光器、Synrad公司的射频激励连续中小功率激光器、Coherent公司的射频激励脉冲中小功率激光、美国PRC公司的轴流CO2激光器、IPG公司的光纤激光器。

2)新的应用领域不断拓展延伸

发达国家激光技术新应用开发速度惊人，它们在主要的大型制造业，如汽车、电子、机械、航空、钢铁等行业中基本完成了用激光再制造工艺对传统工艺的更新换代，进入“光制造”时代。由于激光具有高的时间及空间分辨率，在需要高度精密加工的场合得到进一步推广和应用，如电子、半导体、微纳机械制造、生物、环保等行业。

3)传统激光器向高功率发展，新型激光器不断涌现

随着技术的进步和对高效率和高利润的不断追求，传统的气体和固体激光器逐渐向更高的功率和更高的性价比方向发展。如德国Trumpf推出的万瓦级轴快流CO2激光五轴切割、焊接和表面处理系统是这一发展趋势的典型代表。

美国、德国和日本成为新型激光器研发的主力军，新型激光器也成为推动激光产业发展壮大的核心。光纤激光器、半导体激光器、紫外激光器等新型激光器产品相继出现并日趋成熟。主要发展方向是高功率、高光束质量、高可靠性、高智能化、固态化和低成本。高亮度大功率半导体泵浦固态激光器、紫外激光器、超短脉宽固体激光器 (皮秒和飞秒)成为未来新型激光器发展的重点。

2.2国内现状与发展趋势

我国激光技术研究与国外同时起步，是当时与国外技术差距最小的高科技领域。将激光用于材料加工的激光再制造技术也一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，特别是政府强调要振兴制造业，这就给激光再制造技术应用带来发展机遇。在国家制定中长远期发展规划时，又将激光再制造列为关键支撑技术，因为它涉及国家安全、国防建设、高新技术的产业化和科技前沿的发展，这就把激光再制造提升到很高的重视程度，也必将给激光再制造机的制造和升级带来很大的商机。

我国激光再制造产业一直呈指数增长，目前我国已经形成华中、珠三角、长三角、环渤海四大激光产业带，有21个省市、地区生产和销售激光设备，常年有定型产品生产和销售，并形成一定规模的企业有200家左右，以激光产品为主业的上市公司有两家。

3. 激光再制造技术在飞机维修领域的典型应用

随着现代科学技术和工业不断发展，对零部件工作的环境也越来越趋于复杂化，表面性能的要求越来越高，因此零件报废率大大增多。通常因为表面失效而报废的零件有：转子叶片、辊轴类零件、齿轮类零件、接头类零件等。在零部件整体性能满足工况的条件下仅是表面损伤的零部件都是可以修复。如果能对因误加工或服役损伤而致使报废的零件进行修复，不仅能够挽回巨大的经济和时间损失，还可以提高资源的利用率，符合我国可持续发展的战略。

目前零部件修复的方法有激光再制造、真空钎焊、真空涂层法、钨极惰性气体保护焊(TIG)和等离子体熔覆修复等传统方法。激光再制造是根据工件的工况要求，熔覆各种设计成分的金属或者非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化、抗疲劳或具有光、电、磁特性的表面覆层。激光再制造是一种快速冷却的过程，熔覆过程中对修复工件的热输入量少，热影响区小，熔覆层组织细小，易于实现自动化等，因此使用激光再制造的方法来修复转子等零部件比其它的方法具有更大的优势。激光再制造技术解决了传统电焊、氩弧焊等热加工过程中不可避免的热变形、热疲劳损伤等一系列技术难题，同时也解决了传统电镀、喷涂等冷加工过程中覆层与基体结合强度差的矛盾，这就为表面修复提供了一个很好的途径。

目前航空发动机叶片大都采用铸造镍基高温合金和定向凝固镍基高温合金来制造。铸造镍基高温叶片和定向凝固叶片在生产过程中可能存在局部缺陷，如现缩松、缩孔等铸造缺陷。

激光再制造具有局部加热和低热输入量等优点，同时，激光再制造超高的温度梯度有利于材料的定向凝固生长。因此国内外对激光再制造技术修复高附加值的叶片开展了广泛的研究并在工业上已成功应用。同时，对激光再制造技术与堆焊、TIG焊和等离子体熔覆进行了比较研究。David W. Gandy等人的研究工作指出，在优化激光工艺条件下，实现了IN-738基体上激光再制造逐层沉积IN-939，获得了质量良好的沉积层。德国Fraumhofer ILT 研究所对Ti-6Al-4V和Ti-17叶片进行了激光修复并取得了成功。L.Sexton等人采用Inconel 625 和Rene 142镍基高温合金进行激光再制造修复叶片，指出激光再制造层比TIG涂层具有较小的热影响区和稀释率，良好的微观组织、较高的硬度和较低的气孔率。L.shepeleva等通过试验比较了叶片激光再制造层和等离子体熔覆层的优劣，指出激光再制造层比等离子体熔覆层有更高的硬度，无裂纹和气孔，良好的结合界面。1981年Rolls-Royce公司对RB211飞机发动机高压叶片连锁。GE公司已将激光再制造技术用于航空发动机镍基高温合金叶片的修复，并且获得了很好的效果。