ESD技术在航空发动机维修中的应用

1 电火花微弧沉积技术在航空发动机维修中 应用前景 任天明 特种工艺室 摘要 本文介绍了新近国内 外对电火花微弧沉积技术的研究动向 和电火花微弧沉积技术 的工艺特点及涂层的性能特点 国内 外在这方面的应用情况 并结合我厂的零件特点 分析了该技 术在我厂的应用可能性 1 概述 ElectroSpark Deposition ESD 技术就是电火花微弧沉积技术 是近年来新发展的 修复技术 是通过电火花放电原理 两电极的放电频率为 70 2000Hz 持续时间 10 6 10 5 秒 在接触区温度瞬间可达到 8000 25000 产生了阳极对阴极的合金化 阳极材料沉积敷涂在阴极工件表面上 形成焊接表面涂层具有微观焊接的特点 其基体 与涂层之间的结合为冶金结合 涂层的结合强度高 电火花沉积的作用时间非常短 粒 子的冷却速率大概为 105 106 s 产生的热输入量很小 所以修复的零件没有变形 对一些材料沉积的涂层微观组织具有纳米组织和柱状轴晶形态 所以具有很好的机械性 能 电火花微弧沉积技术应用范围非常广 可以用于不锈钢 钛合金 铝合金 镁合金 镍基高温合金和钴基合金的缺陷修复 特别是由于电火花微弧沉积技术的作用时间短和 冷却速率小的特点 对铝钛含量高的高温铸造合金的修复显出独特的优点 而航空发动 机上应用了大量的钛合金 铝合金 镁合金和高温合金 所以电火花微弧沉积技术必将 在航空发动机维修中得到广泛的应用 2 电火花微弧沉积技术在国内外的发展情况 电火花微弧沉积技术是新近开发的修复技术 公开的研究资料还很少 发达国家均 投入相当多的人力和物力对其进行开发和应用研究 美国的 North Island Naval Air Depot North Island Anniston Army 2 Depot Advanced surfaces and Processes ASAP Air Force Lab AFRL Air Logistics Center OC ALC 等等均进行大量的实验研究 特别是 ASAP 应用电火花微弧沉 积技术 对航空发动机上大量使用的镍基高温合金和钛合金材料的修复进行了系统的研 究 研究的材料主要有 Alloy17 4 410ss Hastelloy X Haynes188 Inconel625 Inconel718 和 Ti6A4V 等 并对电火花微弧沉积的涂层的 抗拉强度 延伸性 微观硬度 微观金相 晶粒的生长方式和涂层中的缺陷进行了详细 的研究 涂层的厚度可以从几微米到几毫米 国内应用最早的是中国科学院金属研究所 设备方面以发展成为系列的 3H ES 电火花微弧沉积设备 并用电火花微弧沉积技术对钛 合金 高温合金表面渗碳提高零件的耐磨性进行了研究 国内还有一些学者对电火花微 弧堆焊层与基体材料的结合行为进行了研究 电火花微弧沉积技术的发展方向主要在设备和应用方面 自动电火花微弧沉积设备 小型笔式电火花微弧沉积设备和能使沉积涂层厚度大大提高的高效电火花微弧设备 应 用方面主要是材料表面的改性技术 如 材料表面渗碳 表面沉积耐磨涂层和耐热腐蚀 涂层和陶瓷涂层 各种材料的损伤和磨损修复等研究 另一方面的研究是将涂层中的气 孔率降低 以提高涂层的质量 3 电火花微弧沉积涂层的特点 根据美国 ASAP 对 Alloy17 4 410ss Hastelloy X Haynes188 Inconel625 Inconel718 和 Ti6A4V 六种材料研究的结果显示 电火花微弧沉积的涂层的断裂强度为母材的 89 屈服强度为母材的 102 延伸率 为母材的 28 Iconel718 合金的疲劳试验为母材的 42 试验条件温度 1000F 循环 载荷 0 100MPa 微观硬度与试验的材料有关 基本上与基体材料接近 从理论上讲 由于电火花沉积的作用时间非常短 粒子的冷却速率为 105 106 s 形成的涂层的粒 子基本上达到纳米级 组织中的晶粒很小 3 涂层的硬度应比母材的硬度高 但是另一方面涂层中有一定的孔隙 使涂层的硬度降低 表 1 为 ASAP 测试的硬度数据 对修复的试样进行弯曲试验表明所有的试验材料均可 以达到 2 延伸弯曲测试 表 1 微观硬度测试 母材基体微观硬度修复后的微观硬度 Alloy17 4480274 4 410ss509395 7 Hastelloy X246342 2 Haynes188292385 6 Inconel625267363 4 Inconel718526363 8 Ti6A4V330383 7 电火花微弧沉积的涂层与基体的界面结合为冶金结合 其类型有非均匀混合互熔结 晶型 超薄层熔化互扩散结晶型和弱扩散无明显重结晶型 形成的晶粒结构为柱状晶 电火花微弧沉积技术的另一特点是 由于粒子的冷却速率为 105 106 s 零件上 几乎没有热影响区 零件基本上在冷态下沉积 零件没有变形 特别适用于薄壁件的修 复 Advanced Surfaces and Processes Inc Advanced Surfaces and Processes Inc 2424 Haynes 188 1 000 x Advanced Surfaces and Processes Inc Advanced Surfaces and Processes Inc 2828 Hastelloy X 3 000X GBdy 4 4 电火花微弧沉积技术在国内外在航空发动机上的应用 涂叶片硬化尖部与相磨损槽表面的可刮削涂层 用于叶片的间隙密封 在叶片上涂铂 铝扩散涂层 修复高温合金的铸造缺陷 对润湿性差的零件可以预先涂上钎料 局部修 复扩散涂层 修复磨损零件 修复航空发动机因吸入砂粒对叶片的腐蚀 修复单晶涡轮 叶片 尖部 的热疲劳裂纹 图 1 发动机上 10 12 级静止叶片 Inconel718 图 2 发动机上联接涡轮轴内腔磨损 Ti6A4V 国内在 31 发动机附件的防冰翘体上内腔磨损 已大量应用于生产 钛合金零件表面 渗碳强度 已通过长试考核 5 电火花微弧沉积技术现阶段可以解决的技术问题 5 1 限制器的局部磨损修复 原考虑用等离子喷涂钴铬钨涂层的方法进行修复 但是需要 解决两个问题 1 将限制器喷涂上钴铬钨涂层后 由于钴铬钨涂层的抗磨性很好 使 限制器与调节片之间的抗磨性产生比较大的差异 在发动机工作中有可能使调节片产生 优先磨损 零件的工作性能产生了不确定性 5 2 限制器的磨损面为局部球形面 喷涂的涂层面积小易在使用中脱层 也影响零件的 工作性能 采用电火花微弧沉积技术就可以解决上述两个问题 用与基体相同的材料作 涂层材料 则磨损对耦件有相同的抗磨性 修复的零件不影响其工作性能 另一方面涂 层与基体是冶金结合的 涂层结合力高 图 3 限制器 99 16 12 102 图 4 限制器 99 16 17 150 5 2 滑油泵壳体的尺寸修复 410 厂采用的修复方法是用等离子喷涂铜涂层 我厂正在做 工艺性试验 涂层的粉末从美国进口 在等离子喷涂时对零件的保护很严格 工艺生产 周期长 如果采用电火花微弧沉积技术 则可以用基体相同的材料进行修复 不需要进 口的粉末 生产周期将大大的缩短 而且零件的涂层质量得到的提高 图 5 滑油泵壳体 99 07 32 001 和 99 07 32 400 5 3 杯形件 双重铰链等钛合金表面的磨损修复 该类零件在制造时用电火花微弧沉积技 术在零件表面沉积有硬质合金涂层 在修复时用机械打磨的方法去除磨损处的硬质合金 6 涂层 应用电火花微弧沉积技术 并用与零件相同的材料作涂层将磨损处的尺寸进行恢 复 然后在零件磨损处涂上硬质合金涂层 图 6 杯形件 99 17 02 264 图 7 杯形件 99 17 04 004 图 8 双重铰链 99 17 05 020 图 9 双重铰链 99 17 02 500 图 10 密封件 99 17 02 108 5 4 白铜圈 99 01 21 236 的磨损修复 白铜圈在工作过程中产生 CuNi 合金的磨损 大修 指南要求用炉中钎焊的方法进行更换 该工艺需要专用的工装 钎料和 CuNi 合金圈 工 艺复杂 生产周期长 由于受材料和工装的 7 限制 我厂至今未开展白铜圈的磨损修复技术的研究 如果应用电火花微弧沉积技术 则可以用基体相同的材料进行修复 不需要复杂的工装 生产周期将大大的缩短 6 电火花微弧沉积技术将来可能解决的技术问题 6 1 外调节片和外密封片爆炸喷涂 25 涂层 可以用电火花微弧沉积技术代替 使用 碳化铬涂层 这样将解决爆炸喷涂设备常常坏不能生产的问题 将大大的缩短产品的生 产周期 将生产成本降低很多 6 2 发动机上齿轮端面磨损主要是接触磨损 所以可以使用电