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

美國聯合技術公司（UTC）航空系統部門是專業設計、制造、集成、修復和翻修燃氣渦輪發動機燃油輸送零件的公司。噴氣發動機需要在高溫度下運行，才能使燃料轉化的能量最大化。因此，燃燒部件需要經受極其惡劣的環境，在高溫以及高振動和高壓力下運行。為了能夠抵抗這種環境，燃燒部件需要高度工程化，并且使用高強度合金材料，通常情況下是鎳或鈷基合金。由于惡劣的工作環境，燃燒部件會受到不同程度的磨損和微動損傷。

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組件，該引擎被用來為美國海軍驅逐艦提供動力。其外部的空氣導風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、進行更換、焊接或釬焊上替換的零件、重做熱循環的無損檢測（NDT）以及重新認證。這個過程需要幾周時間，而且價格非常昂貴。

美國國家科學研究委員會（NRC）通過其位于倫敦、加拿大安大略省分部的研究已開發出一種獨特的激光熔覆/熔凝技術，可以讓復雜的網狀功能零件實現從CAD設計到直接生產的環節，從而減少生產周期、材料的浪費和模具成本。

-–實驗信息

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度性質。L-605在很多噴氣發動機的零件中得到很好的應用。其中包括渦輪葉片、燃燒室、加力燃燒室部件和渦輪環。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。

在這里，使用耦合了光纖加工頭的Lasag Nd：YAG激光器來進行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送粉器用于運送L605粉末通過噴嘴進入熔池，送粉速度為5-10克/分鐘。使用五軸數控運動系統在室溫下進行激光熔覆修復，整個加工過程是在氧含量低于50ppm的手套箱中進行。

-–結果與討論

- 金相檢驗

作為熔覆層的L605的微觀結構由內有細枝晶的柱狀晶粒組成。化學蝕刻顯示柱狀枝晶跨越了多個沉積層（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一步確認不同取向的晶粒都含有定向凝固的枝晶，并且能繼續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合。在固溶處理（1232℃/小時）后，熔覆層L605中的柱狀枝晶結構完全消失，并再結晶成非均勻的等軸晶粒。熔覆層L605中的再結晶晶粒比鍛L605基材中的要小很多。

- 高溫疲勞測試

高溫疲勞測試在538℃(1000℉)下進行。在相對較低的最大應力水平400MPa時，激光熔覆L605和鍛L605基材的基線標本達到200，000個循環。在相對較高的最大應力水平450MPa時，激光熔覆L605標本的平均疲勞壽命為16，850個循環，這相當于（或略高于）鍛L605基材的基線標本（平均疲勞壽命為15，600個循環）。有趣地是，在425MPa的最大應力水平時，三個激光熔覆L605的標本達到200，000個循環，另一個止步于32，500個循環。激光熔覆L605的標本的平均壽命大約158，000個循環，與鍛L605的基線標本（平均壽命約17，000個循環）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的晶粒結構和增強的硬度。

- 滑動磨損試驗

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

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開發出一種可以修復具有復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）、對個別噴嘴自動進行數控編程、用激光熔覆技術來修復燃油噴嘴的受損區域、最后的機械加工、對修復后的噴嘴進行無損探傷檢驗。

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

NRC開發了一個以激光掃描儀為基礎的在線測量系統，用來測量受損的RR501K噴嘴的空氣帽表面。該系統由一個激光位移傳感器和一個測量控制器組成，并且可以通過標準的輸入/輸出界面集成到任何數控運動系統中，并且針對多軸在線測量應用可以比較容易地進行升級。與CAD模型（包括樣品尺寸誤差、傳感器誤差、測量干擾、運動系統誤差、夾具尺寸誤差等）相比，該系統的最大絕對誤差約為0.09mm，重復性（最大偏差）約為0.06mm。

每個RR5 0 1K噴嘴零件通過簡單的夾具安裝在橫向定位的旋轉桌上，然后按照標準修復程序來清理表面，并使用在線測量系統來測量其受損的空氣帽表面。測量路徑是依據RR501K噴嘴空氣帽的形狀和位置來預先設計的。通過用戶界面來控制測量過程，并顯示測量結果。根據在線測量結果，NRC開發的一個軟件模塊能針對每一個被測量的RR501K噴嘴空氣帽來自動生成其特定的修復路徑。使用500瓦的Nd：YAG激光器進行激光熔覆L-605合金可以成功修復受損的噴嘴空氣帽。

將激光熔覆修復后的RR501K噴嘴空氣帽進行表面機械加工，并進行剖面觀察以檢查修復質量。光學顯微鏡觀察結果表明，激光熔覆L605層與受損的L-605噴嘴表面的金屬鍵結合的情況非常好。高放大倍率的掃描電鏡觀察進一步證實了激光熔覆 L-605與L-605基材間形成了很好的金屬鍵結合。沒有觀察到裂縫或孔隙。激光熔覆L605層具有非常精細的枝晶微觀結構，而L-605基材具有單軸晶粒結構。

通過機械加工，激光熔覆修復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后的RR501K燃油噴嘴空氣帽上沒有檢測到缺陷。

-–小結

- 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合。

- 在538℃（1000℉）下與鍛L-605基線標本進行比較，激光熔覆L605標本的疲勞壽命顯示出相當的性能或者極大的改善。

- 激光熔覆L605標本的疲勞壽命獲得提高，可能歸因于其非常精細的微觀結構和增強的硬度。

- 與鍛L-605基線標本相比，激光熔覆L605標本具有略高的硬度和相當的耐滑動磨損性能。

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

- 修復后的燃油噴嘴根據客戶的技術要求通過了金相檢驗和無損探傷檢驗。

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