wiadomości o firmie Zastosowanie pokrycia laserowego w naprawie komponentów lotniczych: alternatywa dla pokrycia chromowego

Dziś technologia okładziny laserowej jest badana w naprawie części i komponentów lotniczych w celu zastąpienia poszycia chromu. Poprzez eksperymenty weryfikuje się, że warstwa okładziny ma wysoką twardość i wykonalność późniejszego przetwarzania. Wreszcie, okładzina laserowa jest porównywana z tradycyjną technologią platingu chromu.

01

Tło aplikacji

Narzędzia produkcyjne lotnicze, takie jak oprawy, pierścienie i struktury wsparcia, mają problemy z zużyciem spowodowane przetwarzaniem materiałów o wysokiej wytrzymałości (takich jak stopy niklu i stopy tytanowe). Tradycyjne metody naprawy wykorzystują przede wszystkim twarde chromowanie, ale takie podejście ma znaczące wady:

① Zagrożenia środowiskowe: Roztwory kwasu chromowego są rakotwórcze i ściśle regulowane zgodnie z przepisami UE;

② Wady procesowe: powłoka jest podatna na obieranie i bulgotanie, wymagające wielu cykli przeróbki;

③ Ograniczenia grubości: powłoka zwykle przekracza 1 mm, pozostawiając niewystarczającą dodatek obróbki.

Aby rozwiązać te problemy, zaproponowano nowe rozwiązanie naprawcze koncentrujące się na okładzinie laserowej (Laser Cladding, LC). Ta metoda wykorzystuje przyjazne dla środowiska, bardzo precyzyjne procesy produkowania addytywnego w celu regeneracji powierzchni narzędzi i zwiększenia ich wydajności. Funkcje techniczne są następujące:

Doskonała wydajność środowiskowa

① Całkowicie eliminuje kwas chromowy, przy użyciu proszków metali jako materiałów powłokowych, wyrównanych z zielonymi trendami produkcyjnymi;

② Proces ten nie ma szkodliwych emisji, spełniającym wymagania regulacyjne UE.

Wiązanie metalurgiczne

① Powłoka tworzy wiązanie metalurgiczne z podłożem poprzez mechanizmy dyfuzyjne, zapewniając żadne wady, takie jak pęcherzyki lub obieranie się na interfejsie.

Zdolność adaptacyjna do złożonych struktur

① Zdolne do wielowymiarowych napraw na płaskich powierzchniach, zewnętrznych cylindrycznych powierzchniach i wewnętrznych powierzchni cylindrycznych, pokrywających typowe struktury narzędzi;

② Poprzez kontrolę współpracy robota i nachylone karmienie proszku (10 ° -30 °) może rozwiązać wyzwanie okładziny w ograniczonych przestrzeniach.

Dodatek do obróbki

① Ograniczenie wielowarstwowe (np. Grubości 2 mm) zapewnia zasiłek obróbki, unikając problemów z przeróbką spowodowaną zbyt cienkimi tradycyjnymi powłokami.

02

Laserowe okładziny: Materiały i metody

Materiał podstawowy: stal stopowa o niskiej stopie 40Hm

Cechy: Twardość 28-32 HRC, szeroko stosowana w produkcji narzędzi obróbki aero-silnika, może spełniać wymagania dotyczące wysokiej wytrzymałości i odporności na wysoką zużycie.

Podstawa selekcji: jego wydajność obróbki cieplnej (wygaszanie + temperowanie) i zgodność laserowego wejścia ciepła okładzinowego, aby zapewnić, że podłoże nie odkształca się ani nie pęka podczas procesu okładziny.

Materiał powłokowy: proszek z stopu Nicrbsi

Skład: podstawa Ni (CR 17%, B 3,5%, SI 4%, C 1%, Fe 4%), rozkład wielkości cząstek 15-53 µm. Nazwa marki: Szwajcarski Oerlikon Metco Metco 15f.

① Samokształcenie: B i SI mogą zmniejszyć temperaturę topnienia, promować przepływ topnień i zmniejszyć niefaskowane cząstki.

② Wysoka twardość: Cr i C tworzą twarde węgliki, takie jak Cr₇c₃, Cr₃c₂, aby poprawić odporność na zużycie.

③ Odporność na pęknięcia: macierz Ni łagodzi naprężenie termiczne i pozwala uniknąć pękania warstwy okładziny.

Wymagania produktu dotyczące procesu okładziny laserowej

1. Grubość warstwy okładziny jest większa lub równa 1,5 μm

2. Twardość warstwy okładzinowej wynosi ponad 38 HRC

* Produkt fizyczny (po lewej), rysunki techniczne (po prawej)

System okładzin laserowych

Laser: Laserline, Model LDF 4000-30, długość fali 940-980nm.

System karmienia proszku: karmnik proszkowy GTV PF.

Głowa okładzinowa: Fraunhofer IWS Koncentryczna głowica okładzinowa, średnica punktowa 3,5 mm.

Robot: REIS RV60-40 Robot + RDK-05 Tabela, która może zrealizować złożoną kontrolę trajektorii.

Optymalizacja parametrów procesu

· Logika: zmaksymalizuj wysokość i twardość warstwy okładziny, zminimalizować głębokość strefy fuzji i termicznej strefy dotkniętej termicznie oraz unikaj przegrzania i zmiękczania podłoża.

· Optymalne parametry: moc laserowa 1000W + Szybkość karmienia proszku 17,4 g/min, wysoka twardość (> 700 HV 1) i niski wskaźnik rozcieńczenia (<10%).

* Parametry procesu okładziny

* Schemat pomiaru warstwy okładzin pojedynczych kanałów

Wielowarstwowa strategia okładzin wielowarstwowych

Planowanie ścieżki

Powierzchnia płaska (odziana a): równoległa ścieżka skanowania, szybkość nakładania się 50%, przechylenie 10 °, aby uniknąć akumulacji proszku.

Zewnętrzna cylindryczna powierzchnia (odziana B): ścieżka skanowania spiralnego, synchroniczna kontrola obracającego się tabeli, pochylona 10 °.

Wewnętrzna cylindryczna powierzchnia (odziana C): 30 ° nachylona w ograniczonej przestrzeni, dostosuj kąt zasilający proszek, aby zapewnić stabilność stopionego basenu.

Kontrola warstwy: 2 warstwy okładziny, całkowita grubość 2 mm, aby uniknąć pęknięć spowodowanych przez wiele cykli termicznych.

MATRIX Wstępna obróbka:

Polerowanie powierzchni: polerowanie papieru ściernego do RA <1,6 µm, usuń warstwę tlenku i zanieczyszczenie oleju.

Czyszczenie: czyszczenie ultradźwiękowe za pomocą izopropanolu, aby zapewnić pozostałości oleju.

Postrocessing

Turning: Płaskie i zewnętrzne cylindryczne powierzchnie są obracane na tokarniach CNC.

Szlifowanie: Użyj środkowej maszyny do szlifowania otworu do płaskich i zewnętrznych cylindrycznych powierzchni.

Frezowanie: mielenie wewnętrznych cylindrycznych powierzchni na specjalnej maszynie do mielenia.

03

Laserowe okładziny: parametry procesu

Wpływ energii laserowej

Wysoka moc prowadzi do rozszerzenia puli stopu i pogorszenia się topnienia ciała podstawowego, ale szybkość rozcieńczenia może przekraczać 20%, zmniejszając czystość składu powłoki.

A) Wysokość warstwy okładzinowej, b) szerokość warstwy okładzinowej, c) głębokość fuzji, d) głębokość HAZ zmienia się w zależności od mocy lasera i prędkości zasilania proszku

Wskaźnik twardości i rozcieńczenia

① Gdy moc laserowa wynosi 1000 W, a szybkość karmienia proszku wynosi 10,4 g/min, twardość osiąga szczyt 680 HV0,3. W tym czasie szybkość rozcieńczenia jest niska (~ 10%), a odsetek fazy twardej (Cr₇c₃, Cr₃c₂) w powładzie jest wysoka.

Wysoka szybkość rozcieńczenia (> 20%) prowadzi do infiltracji żelaza macierzy do powłoki, tworząc stały roztwór FE-CR, który osłabia efekt wzmocnienia fazy twardej.

* Wpływ parametrów procesu na twardość i szybkość rozcieńczenia: a) Twardość, b) szybkość rozcieńczenia

Wpływ proszku proszku

Nadmierna szybkość karmienia w proszku (> 17,4 g/min) doprowadzi do bardziej niezapomnianych cząstek i zmniejszy gęstość powłoki.

* Zależność między proszkowaniem proszku a wysokością okładziny jednokanałowej: Gdy moc laserowa jest mniejsza niż 1000 W, stawki karmienia proszku wzrasta, a wysokość okładziny wzrasta logarytmicznie

Strategia okładzin wielowarstwowych

Przy 50% szybkości nakładania się i dwóch warstwach okładziny całkowita grubość wynosi 2 mm. Chociaż wysokość pojedynczej warstwy jest ograniczona, a wiele warstw może spełniać wymagania dotyczące zasiłków obróbki, należy kontrolować wejście termiczne, aby uniknąć zmiękczenia matrycy (głębokość HAZ <200 μm).

* Grubość powłoki powierzchniowej: grubość powłoki płaszczyzny, zewnętrzna cylindryczna powierzchnia i wewnętrzna powierzchnia cylindryczna wynoszą 2 mm

* Lokalne wady na powierzchni produktu po okładzeniu: a) wypukły i wklęsły punkty początkowe i końcowe okładziny powierzchni zewnętrznej, b) zjawisko adhezji proszku na powierzchni wewnętrznej

04

Mechaniczne przetwarzanie i analiza defektów

obróbka ścierna

Jakość powierzchni: Chropowatość powierzchni Ra = 0,272 μm po szlifowaniu, co spełnia wymagania narzędzi lotniczych Ra <1,25 μm. Nie znaleziono pęknięć, gdy głębokość mielenia wynosiła 0,4 mm.

Zalety: Szlifowanie usuwa materiał przez mikrokutowanie, unikając obciążeń uderzeniowych na powłokach o wysokiej twardości (~ 750 HV1) i zmniejszając ryzyko pękania.

Obracanie i mielenie

Zużycie narzędzia: podczas obracania zewnętrznej cylindrycznej powierzchni, krawędź tnącej narzędzia ze stopu twardego pęknie po wycięciu 0,3 mm. Powodem jest to, że twardość powłoki jest wysoka, co powoduje nadmierne naprężenie ścinające.

Wady powierzchni: Podczas mielenia wewnętrznej cylindrycznej powierzchni lokalne pęknięcia pojawiają się w powładzie. Główny powód jest związany z efektem sprzęgania naprężenia resztkowego w warstwie okładziny i wibracji cięcia.

* Płaszczyzna i zewnętrzna cylindryczna powierzchnia po obróce

* Zużycie narzędzia: a) Zewnętrzna cylindryczna powierzchnia po obróceniu, B) złamanie krawędzi ostrza twardego

* Wypolerowana zewnętrzna powierzchnia cylindryczna: chropowatość powierzchni ulepszona, ale wciąż widoczne mikro zarysowiska

* Frezowana wewnętrzna cylindryczna powierzchnia: lokalny pęknięcie powłoki, wibrację frezowania i działanie sprzęgania naprężeń szczątkowych

Przetwarzanie sugestii parametrów

Turning: Wymagane są wyższe czerwone narzędzia twardości, takie jak CBN lub powłoki diamentowe, uzupełnione płynem chłodzącego w celu zmniejszenia stresu termicznego.

Frezowanie: Zmniejsz paszę na ząb i zastosuj strategię wysokiej prędkości frezowania w celu tłumienia wibracji.

05

Analiza mikrostruktury i fazy

Interfejs Metalurgiczne wiązanie

SEM: Na interfejsie między warstwą okładzin a podłożem nie ma porów ani pęknięć, wykazujących ciągłe przejście. Podłoże 40 -godzinne stali tworzy martenzyt płytki z powodu szybkiego chłodzenia, podczas gdy obszar z dala od interfejsu jest temperowany martenzytu.

Mechanizm dyfuzyjny: Ni i elementy CR w topnieniu puli rozproszone do matrycy, tworząc wzajemną strefę dyfuzji o grubości około 5 μm, co zwiększa wytrzymałość wiązania międzyfazowego.

* Podłoże i powłoka są wiązane metalurgicznie, a na interfejsie nie ma porów ani pęknięć

Mikrostruktura: A) Martenzyt podstawy, B) Wzrost dendrytu w strefie przejściowej, C) Rozkład powłok dendrytów i fazy twardej

* Rozkład twardości i transformacja fazowa macierzy: Twardość strefy okładziny wynosi 754-762HV1, twardość macierzy w pobliżu interfejsu wynosi 605HV1 (martenzytu), a twardość obszaru odległego wynosi 402HV1 (struktura temperamentu)

06

Podsumowanie aplikacji inżynierskich

Zastąpienie procesu

W przypadku produktów ograniczonych przepisami lub wysoką precyzją priorytetem jest okładzina laserowa i wymiana poszycia chromu. Odpowiednie proszki są wybierane do uwzględnienia twardości i odporności na pęknięcie.

Optymalizacja parametrów

① Poprzez jednokanałowy kalibracja eksperymentalna szybkość rozcieńczenia jest kontrolowana jako mniejsza niż 10%, aby uniknąć zmiękczania matrycy.

② Podczas okładziny wielowarstwowej zarezerwuj 0,3-0,5 mm dodatku do szlifowania.

Zapobieganie defektowi i kontrola

Szlifowanie podłoża, dokładne usuwanie plam oleju powierzchniowego, eliminując pory; Proszek wstępny suszący w wilgotnym środowisku.

To dotyczy tylko twojego odniesienia!

* Uwaga: Porównanie okładziny laserowej i tradycyjnego poszycia chromu

Laserowe okładziny vs. Chrome poszycie: analiza porównawcza
Część 1: Zasada procesu i wpływ na środowisko
Wymiar	Tradycyjne chromowane poszycie	Laser Cladding (LC)
Zasada procesu	Osadzanie elektrochemiczne: Cr³⁺ zredukowane do chromu metalicznego w roztworze kwasu chromowego (grubość <1 mm).	Wiązanie metalurgiczne: letnie laserowe podłoże i proszek metalowy (np. Nicrbsi), tworząc warstwę wiązaną dyfuzyjną (grubość ≤2 mm).
Wpływ na środowisko	Toksyczność: wykorzystuje rakotwórcze roztwory CR⁶⁺. Odpady: Wymagana złożona neutralizacja/filtracja.	Nietoksyczne: proszki metalowe (np. Nicrbsi). Zero odpadów płynnych: Wykorzystanie proszku> 90%.
Ograniczenia regulacyjne	UE ogranicza użycie przemysłowe CR⁶⁺.	Bez ograniczeń; sklasyfikowane jako technologia „zielonego regeneracji”.

Laserowe okładziny vs. Chrome poszycie: analiza porównawcza
Część 2: Mechanizm wydajności i wiązania powlekania
Wymiar	Tradycyjne chromowane poszycie	Laser Cladding (LC)
Mechanizm wiązania	Wiązanie mechaniczne (adsorpcja fizyczna); Podatny na rozwarstwienie.	Wiązanie metalurgiczne z dyfuzją elementarną; Wytrzymałość międzyfazowa ≈ Materiał podłoża.
Twardość i zużycie	Twardość: 800–1000 HV (kruche). Odporność na zużycie zależy od grubości.	Twardość: 700–760 HV (Nicrbsi). Fazy ​​Cr₇C₃/Cr₃c₂ zwiększają odporność na zużycie.
Typy defektów	Blister (zanieczyszczenie). Rozwarstwienie (stres).	Porowatość (nierównomierne karmienie proszku). Mikrocracki (akumulacja termiczna; utrwalacza za pomocą parametrów).

Laserowe okładziny vs. Chrome poszycie: analiza porównawcza
Część 3: Elastyczność i efektywność kosztów procesu
Wymiar	Tradycyjne chromowane poszycie	Laser Cladding (LC)
Kompatybilność procesu	Ograniczone do szlifowania; Turowanie/frezowanie powoduje obieranie.	Kompatybilny z szlifowaniem/obracaniem/mieleniem (zoptymalizowane narzędzia, takie jak CBN). Powtarzalne naprawy.
Struktura kosztów	Niski koszt na jednostkę dla objętości (> 5 sztuk), ale wysokie koszty oczyszczania odpadów.	Brak opłat za formę; Idealny do małych partii.
Tryby awarii	Delaminacja odsłania podłoże.	Zlokalizowane zużycie; możliwe docelowe naprawy.

Laserowe okładziny vs. Chrome poszycie: analiza porównawcza
Część 4: Praktyczne scenariusze aplikacji
Scenariusz	Tradycyjne chromowane poszycie	Laser Cladding (LC)
Prosta geometria	Nadaje się na płaskie powierzchnie (np. Samoloty opraw).	Preferowana dla środowiska alternatywa.
Złożona geometria	Limited (np. Wewnętrzne wnęki/wąskie luki).	Planowanie ścieżki robotycznej umożliwia okładziny na złożonych powierzchniach.
Wysoka precyzja	Tolerancja po wydobywaniu ± 0,01 mm, ograniczona grubością powłoki.	Kontrola grubości (± 0,1 mm); wystarczająca liczba obróbki.
Ekstremalne środowiska	Powłoka zawodzi w> 300 ° C (utlenianie/rozwarstwienie).	Nicrbsi wytrzymuje ~ 800 ° C (np. Komponenty silnika).