直升机主减速器支撑杆激光熔覆修复工艺探究

张俊，赵轶飞，刘武常

(西安航空职业技术学院航空制造工程学院，陕西 西安710089)

作者简介：〖HTSS〗张俊（1978—），男，副教授，硕士，主要从事数控加工、激光智能制造与修复方面的研究和教学工作，xihangjzhang @163.com.

摘要：采用激光熔覆的方法修复了失效的某型直升机主减速器支撑杆。先通过理论分析和有限元温度场数值仿真，筛选了一组熔覆工艺关键参数的范围，即激光功率、扫描速度、送粉速度，然后通过具体试验对这些参数进行了验证，并运用金相分析与显微硬度方法确认最终修复部位满足硬度要求。研究结果表明，利用激光熔覆工艺，通过选用合适的工艺参数，可以修复该类零件。

关键词：激光熔覆；工艺仿真；修复

中图分类号：TG174.44文献标识码：A文章编号：2095-509X(2019)07-0024-06

直升机主减速器支撑杆的常见失效形式主要包括焊缝与基体裂纹、安装孔周边塑性变形等，另外由于其作为连接机身和主减速器的重要结构件，在工作中除承受极大的静载荷外，还受交变载荷作用，容易发生疲劳。目前在该类零件维修中，对于失效的支撑杆一般直接更换新件。随着市场竞争的日益激烈以及节能环保的要求，采取新工艺对失效件进行修复，使其恢复原有的材料性能和几何尺寸并重新使用，对于降低成本、缩短维修周期具有重要意义［1-2］。本文利用激光熔覆工艺对其进行了修复试验，并探讨了可行性。

1激光熔覆工艺分析

通过分析某型直升机主减速器支撑杆的各种失效形式，发现主要是由微动磨损、氧化及腐蚀、交变应力三者的综合作用造成了表面裂纹、尺寸磨损超差、表面锈蚀等缺陷，修复时需要先将失效部分通过金属切削方式去除，然后应用预先铺设或者同步送粉的方式将修复用金属粉末附着在支撑杆切削加工部位，再通过高能量密度的激光束使二者同时融化、凝固并为冶金结合，从而在基材表面形成具备一定性能的熔覆层。熔覆层的形成是熔体快速凝固的过程，同时也是一个复杂的物理、化学冶金过程，不仅要求材料间具有良好的冶金结合性能，且要求结合界面形貌一致，细致均匀，即结合区与基体金相区别不大，从而使得修复完成后的零件结构力学性能不低于原基材［3］。在熔覆过程中，激光头能量的高度集中以及快速移动，使熔融位置形成了急速变化的温度场。剧烈的温度变化以及不均匀释放的能量都会造成温度应力，从而可能在熔覆部位出现裂纹、气孔、变形等缺陷。而温度应力的产生主要取决于熔覆的工艺参数，因此工艺参数的合理选择就成为激光熔覆工艺研究的关键。

1.1熔覆池表面形貌及其影响因素

熔覆层截面包括熔覆区、结合区、热影响区和基体4个区域，如图1所示。除基体外，其他部分均受到熔覆过程中产生的熔池的影响，熔池冷却过程中的收缩、变形等将严重影响熔覆效果。通过建立熔池表面形貌的物理模型，可以确定熔池形貌与工艺参数间的关系。

熔池形貌由熔池表面所受各种力之间的平衡关系决定，包括液体表面张力、液态剪切力、熔池重力、熔池表面的内压力和外压力。二维坐标下，在熔池表面任取一点，其法线方向的力平衡方程可以写成［4-5］：

Nliq-Np,g+ρliqgh=γK+2μliq vliq ·n

（1）式中：Nliq为内压力；Np,g为外压力；ρliqgh为重力，ρliq为熔池液体密度，g为重力加速度，h为法线方向高度；μliq为液体黏度；γ为液体表面张力系数；K为熔池表面形状曲率；vliq为液体流动速度；n为边界外法线方向向量。等号左边表示熔池液体与粉气混合体之间的压力差，等号右边分别为表面张力和液态剪切力的法向合力，式（1）表明平衡方程中各力大小都取决于熔池所处平衡状态和其表面形状。