Penerapan pelapis laser teknologi di bidang penerbangan

Teknologi pelapisan laser dapat secara signifikan meningkatkan ketahanan aus, ketahanan korosi, ketahanan panas, dan ketahanan oksidasi pada permukaan logam. Saat ini, penelitian kelongsong laser terutama berfokus pada pengembangan proses, sistem material lapisan kelongsong, struktur pemadatan cepat kelongsong laser, ikatan antarmuka dengan substrat, dan pengujian kinerja.

Bidang penerbangan merupakan bidang penting yang berkaitan dengan keamanan nasional dan merupakan industri strategis yang didukung negara. Cara menerapkan teknologi kelongsong laser dengan lebih baik pada manufaktur penerbangan di negara saya merupakan hal yang sangat penting secara strategis. Bahan-bahan penerbangan merupakan bahan dasar yang penting dan pemimpin teknologi untuk penelitian dan pengembangan serta produksi senjata dan peralatan. Memperkuat kekerasan dan ketahanan aus substrat material penerbangan sangat penting bagi peningkatan material penerbangan. Misalnya, pengembangan dan penerapan laser berkekuatan tinggi menyediakan sarana baru untuk modifikasi permukaan material penerbangan dan membuka jalur baru untuk pengembangan teknologi penguatan permukaan material. Bahan keramik memiliki kekerasan yang tinggi dan kestabilan kimia yang tinggi tidak dapat dibandingkan dengan bahan logam. Oleh karena itu, bahan keramik yang sesuai dapat dipilih sesuai dengan kondisi servis suku cadang yang berbeda. Suhu pemanasan laser kepadatan energi tinggi dan kecepatan pemanasan cepat dapat digunakan untuk melelehkan lapisan keramik pada permukaan bahan logam (seperti paduan titanium), sehingga secara organik menggabungkan ketahanan aus yang sangat baik dan ketahanan korosi bahan keramik dengan plastisitas tinggi dan tinggi ketangguhan bahan logam, yang dapat sangat meningkatkan masa pakai suku cadang penerbangan.

Penerapan teknologi pelapisan laser dalam pembuatan suku cadang pesawat terbang

Selain menahan beban dalam kondisi kerja, komponen paduan titanium pada badan dan mesin pesawat juga akan membentuk beban kelelahan termal akibat siklus hidup/berhenti mesin. Di bawah pengaruh ganda tegangan bolak-balik dan kelelahan termal, retakan dengan tingkat yang berbeda-beda akan terjadi, yang akan berdampak serius pada masa pakai bodi atau mesin dan bahkan membahayakan keselamatan penerbangan. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari metode penguatan permukaan struktur paduan titanium penerbangan untuk memanfaatkan keunggulan kinerjanya dan memungkinkannya digunakan lebih luas.

Keramik dibagi menjadi keramik oksida dan keramik karbida. Aluminium oksida, titanium oksida, kobalt oksida, kromium oksida dan senyawa kompositnya merupakan keramik oksida yang banyak digunakan dan juga merupakan bahan utama untuk pembuatan pelapis keramik. Keramik karbida sulit untuk dibuat pelapisnya sendiri. Mereka biasanya dibuat dengan paduan yang dapat melebur sendiri dengan dasar kobalt atau nikel untuk membentuk keramik logam. Keramik logam tersebut memiliki kekerasan tinggi dan kinerja suhu tinggi yang sangat baik serta dapat digunakan sebagai pelapis tahan aus, tahan abrasi, dan tahan korosi. Yang umum digunakan termasuk tungsten karbida, titanium karbida, dan kromium karbida. Lapisan laser dapat digunakan untuk menyiapkan pelapis keramik dengan terlebih dahulu menambahkan bahan lapisan transisi (seperti NiCr, NAI, NiCrAl, Mb, dll.) ke permukaan bahan, dan kemudian menggunakan pelapis laser berdenyut untuk melelehkan paduan Ni dan Cr dalam transisi tersebut. lapisan dan Al2O3, Zr02 dan bahan lain dalam keramik ke permukaan substrat membentuk porositas. Molekul logam dalam substrat juga dapat berdifusi ke dalam lapisan keramik, sehingga meningkatkan struktur dan kinerja lapisan. Penggunaan pelapis laser pada lapisan keramik untuk bilah turbin mesin pesawat adalah teknologi berteknologi tinggi dengan nilai aplikasi yang besar.

Paduan titanium banyak digunakan dalam pembuatan pesawat terbang, seperti paduan titanium Ti-6AI-4V, yang digunakan untuk memproduksi komponen utama dengan rasio kekuatan/berat yang tinggi, tahan panas, tahan lelah, dan tahan korosi. Namun, dalam pengolahan dan pembuatan paduan titanium ini, metode proses tradisional memiliki banyak kelemahan yang sulit diatasi. Misalnya, produksi partisi terbuat dari pelat paduan bergigi yang tebalnya beberapa inci dan berat puluhan kilogram, dan dibutuhkan waktu lebih dari satu tahun untuk mendapatkan pelat paduan jadi tersebut. Karena sulit untuk diproses, diperlukan ratusan jam kerja di pusat permesinan untuk memproses suku cadang tersebut, dan banyak keausan pahat. Teknologi kelongsong laser memiliki keuntungan besar dalam hal ini, yaitu dapat memperkuat permukaan paduan titanium dan mengurangi waktu produksi.

Pelapisan laser merupakan salah satu teknologi modifikasi permukaan dengan potensi terbesar untuk aplikasi industri modern dan memiliki nilai ekonomi yang signifikan. Pada awal 1980-an, Rolls-Royce dari Inggris menggunakan teknologi kelongsong laser untuk mengeraskan sambungan casing mesin turbin RB211 dan mencapai hasil yang baik.

Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian dan pengembangan AeroMet di Amerika Serikat telah mencapai kemajuan besar, dan beberapa rangkaian komponen kelongsong laser paduan titanium Ti-6Al-4V telah disetujui untuk digunakan dalam penerbangan sebenarnya. Diantaranya, dua sambungan ukuran penuh pada pesawat tempur F-22 memenuhi persyaratan umur kelelahan 2 kali, cincin akar sayap F/A-18E/F memenuhi persyaratan umur kelelahan 4 kali, dan batang penghubung untuk pengangkatan memenuhi persyaratan penerbangan dan umurnya melebihi persyaratan teknis awal sebesar 30%. Suku cadang paduan titanium yang diproduksi dengan penguatan permukaan menggunakan teknologi kelongsong laser tidak hanya mengungguli suku cadang yang diproduksi dengan proses tradisional dalam hal kinerja, tetapi juga mengurangi biaya produksi sebesar 20%~40% dan memperpendek siklus produksi sekitar 80% karena keunggulan bahan dan pemrosesan. Penerapan pelapisan laser dalam perbaikan suku cadang penerbangan telah mencapai hasil yang ideal.

Teknologi pelapisan laser berdampak langsung pada perbaikan pesawat. Keunggulannya meliputi otomatisasi proses perbaikan, tekanan termal rendah, dan deformasi termal. Karena masyarakat memperkirakan umur pesawat akan terus meningkat, diperlukan proses perbaikan dan perombakan yang lebih kompleks. Bagian seperti bilah mesin turbin, impeler, dan segel udara berputar dapat diperbaiki dengan penguatan kelongsong laser permukaan. Misalnya saja teknologi peleburan laser yang digunakan untuk memperbaiki retakan pada bagian-bagian pesawat terbang. Beberapa retakan non-penetrasi biasanya terjadi pada bagian yang berdinding tebal. Kedalaman retakan tidak dapat diukur secara langsung, dan teknologi perbaikan lainnya tidak dapat berperan. Teknologi pelapisan laser dapat digunakan. Sesuai dengan situasi retakan, retakan dapat dihilangkan secara bertahap dengan penggerindaan dan deteksi cacat beberapa kali. Alur setelah penggilingan dapat diisi dengan pelapisan laser dan proses pelapisan multi-lapis yang ditambahkan bubuk untuk membangun kembali struktur yang rusak dan mengembalikan kinerjanya.

Silakan berkonsultasi Huirui-Laser untuk bahan dasar dan bubuk paduan yang digunakan untuk pelapisan laser pada bilah turbin mesin. Partikel bubuk yang digunakan untuk pelapisan berbentuk bola dan berukuran kurang dari 150μm. Parameter proses yang berbeda harus digunakan untuk lapisan kelongsong dari bubuk paduan yang berbeda untuk mendapatkan efek kelongsong terbaik.

Perbaiki bagian atas bilah turbin yang rusak ke ketinggian semula. Selama proses pelapisan laser, sinar laser membentuk kedalaman leleh yang sangat dangkal di bagian atas bilah, dan serbuk logam diendapkan di bagian atas bilah untuk membentuk lasan. Di bawah kendali numerik komputer, lapisan las meningkatkan lapisan kelongsong. Berbeda dengan bilah rusak yang dilapisi dengan pelapis laser, bilah pelapis busur gas inert tungsten manual harus menjalani pasca-pemrosesan tambahan setelah pelapisan. Bagian atas bilah harus diproses secara tepat untuk memperlihatkan celah yang terbentuk selama proses pendinginan, sementara pelapis laser menghilangkan proses pemrosesan ini dan sangat mengurangi waktu dan biaya.

Dalam bidang penerbangan, harga suku cadang mesin pesawat sangat mahal, sehingga dalam banyak kasus perbaikan suku cadang lebih hemat biaya. Namun kualitas suku cadang yang diperbaiki harus memenuhi persyaratan keselamatan penerbangan. Misalnya saja jika permukaan bilah baling-baling mesin pesawat rusak maka harus diperbaiki melalui beberapa teknologi perawatan permukaan. Teknologi pelapisan laser dapat digunakan dengan baik untuk perbaikan pelapis permukaan tiga dimensi laser pada bilah baling-baling pesawat.

Ada kasus nyata di mana bilah mesin pesawat diperbaiki dengan laser. Bahan cladding (bubuk paduan) adalah Inconel625 (bubuk paduan Cr-Ni-Fe 625), dan bahan bilahnya adalah Inconel713. Dengan mendeteksi penampang lapisan kelongsong dengan metode metalografi, dapat diketahui bahwa setelah kelongsong laser, terbentuk zona transisi kelongsong metalurgi antara bahan dasar bilah dan lapisan kelongsong. Kesimpulannya membuktikan efisiensi tinggi dan keandalan teknologi pelapisan laser serta kinerja yang sangat baik.

Lapisan laser dapat memperkuat lapisan cladding paduan pada permukaan material dan meningkatkan sifat mekanik dan kimia permukaan paduan. Serbuk paduan overlay adalah bahan pelapis laser yang ideal dengan nilai aplikasi tinggi. Serbuk paduan overlay dapat dengan cepat dicairkan di bawah iradiasi sinar laser dan kemudian dibalut pada permukaan komponen penerbangan. Proses ini dapat mengadopsi metode pra-pelapisan. Bahan pra-pelapisan dapat berupa kawat, pelat, bubuk, dll. Bahan yang paling umum digunakan adalah bubuk paduan. Pelapisan laser pertama-tama menempatkan bahan pelapis pada permukaan substrat yang akan dilapisi, dan kemudian menggunakan sinar laser untuk memindai bahan pelapis yang meleleh dan permukaan substrat untuk mencapai penguatan permukaan.

Area kelongsong terbentuk di bawah pengaruh sinar laser dan sistem pengumpanan bubuk. Bahan substrat dan bubuk paduan menentukan sifat lapisan permukaan kelongsong. Laser secara langsung menyinari permukaan substrat untuk membentuk kolam cair, dan bubuk paduan dikirim ke permukaan kolam cair. Argon juga dikirim ke kolam cair selama proses pelapisan laser untuk mencegah oksidasi permukaan substrat. Kolam cair terbentuk di permukaan substrat. Jika bubuk paduan dan permukaan substrat keduanya padat, partikel bubuk paduan akan terlontar saat bersentuhan dengan permukaan substrat, dan tidak akan menempel pada permukaan substrat untuk pelapisan. Jika permukaan substrat berada dalam keadaan kolam cair, partikel bubuk paduan akan menempel ketika bersentuhan dengan permukaan substrat, dan pelapisan laser akan terjadi di bawah aksi sinar laser untuk membentuk sabuk pelapis.

Ketahanan aus lapisan kelongsong laser sebanding dengan kekerasannya. Umumnya sulit untuk menyeimbangkan kekerasan, ketahanan aus, ketahanan korosi dan ketahanan lelah pada lapisan kelongsong. Struktur mikro dan komposisi kimia permukaan substrat dapat diperbaiki dengan proses pelapisan laser.

Proses pelapisan laser memiliki keunggulan besar dibandingkan proses pelapisan las gas inert tungsten (TIG). Sifat-sifat lapisan kelongsong laser bergantung pada proporsi elemen paduan kelongsong. Untuk mencapai efek terbaik yang diharapkan, efek pengenceran bahan substrat harus dihindari semaksimal mungkin, karena kekerasan lapisan kelongsong berbanding terbalik dengan pengenceran bahan substrat. Pada permukaan paduan Inconel 792, pelapis laser dan pengelasan gas inert tungsten digunakan untuk melapisi bubuk paduan Rene142. Perbandingan kekerasan mikro menunjukkan bahwa kekerasan lapisan permukaan yang diperkuat yang dihasilkan oleh kelongsong laser lebih tinggi dibandingkan dengan kekerasan permukaan kelongsong las gas inert tungsten. Alasannya adalah tingginya tingkat pemadatan lapisan kelongsong laser dan efek konveksi kuat yang dihasilkan di kolam cair. Oleh karena itu, teknologi kelongsong laser lebih berharga di bidang penerbangan dibandingkan kelongsong las gas inert tungsten.

Data yang relevan menunjukkan bahwa kekuatan suku cadang penerbangan yang diperbaiki dengan teknologi pelapisan laser dapat mencapai lebih dari 90% kekuatan aslinya. Lebih penting lagi, ini mempersingkat waktu perbaikan dan memecahkan masalah perbaikan cepat pada bagian-bagian yang berputar yang harus diselesaikan demi pengoperasian peralatan penting yang berkesinambungan dan andal.

Penerapan kelongsong laser dalam modifikasi permukaan material penerbangan

Pelapis laser dengan lapisan kekerasan tinggi, tahan aus, dan tahan suhu tinggi

Untuk mencegah pembuangan suku cadang penting yang bekerja di lingkungan berkecepatan tinggi, bersuhu tinggi, bertekanan tinggi, dan korosif akibat kerusakan permukaan lokal dan untuk meningkatkan masa pakai suku cadang, negara-negara di seluruh dunia berkomitmen untuk mengembangkan berbagai teknologi untuk meningkatkan kinerja permukaan bagian. Teknologi modifikasi permukaan tradisional (seperti penyemprotan, pelapisan, pelapisan permukaan, dll.) tidak ideal karena ikatan antar lapisan yang buruk dan difusi keadaan padat yang buruk. Munculnya laser berkekuatan tinggi dan perangkat pemindaian broadband menyediakan cara baru dan efektif untuk modifikasi permukaan material. Pelapisan laser adalah jenis teknologi modifikasi permukaan baru dengan manfaat ekonomi tinggi. Ini dapat menyiapkan lapisan kelongsong berkinerja tinggi pada substrat yang murah dan berkinerja rendah, sehingga mengurangi biaya material, menghemat logam langka yang berharga, dan meningkatkan masa pakai komponen logam.

Paduan titanium dan paduan aluminium banyak digunakan dalam pembuatan pesawat modern. Misalnya, penggunaan paduan titanium pada badan pesawat tempur generasi keempat F-22 di Amerika Serikat telah mencapai 41%, dan penggunaan paduan titanium pada mesin V2500 canggih di Amerika juga telah mencapai sekitar 30%. . Titanium dan paduan titanium memiliki kekuatan spesifik yang tinggi, ketahanan korosi yang sangat baik, dan ketahanan suhu tinggi yang baik, yang dapat mengurangi berat badan pesawat dan meningkatkan rasio dorong terhadap berat. Kerugian dari paduan titanium adalah kekerasannya yang rendah dan ketahanan aus yang buruk. Kekerasan titanium murni adalah 150~200HV, dan paduan titanium biasanya tidak melebihi 350HV. Dalam banyak kasus, lapisan oksida padat akan terbentuk pada permukaan titanium dan paduan titanium untuk berperan dalam pencegahan korosi. Namun, ketika film oksida rusak, lingkungan buruk atau terjadi korosi retak, ketahanan korosi paduan titanium akan sangat berkurang.

Jumlah total paduan aluminium pada jet tempur F-35 AS, yang pertama kali terbang pada tahun 2000, lebih dari 30%. Namun, kekuatan paduan aluminium tidak cukup tinggi, dan mudah untuk menghasilkan deformasi plastis selama penggunaan, terutama kekerasan permukaan yang rendah dan ketahanan aus yang buruk dari paduan aluminium, yang membatasi penerapannya sampai batas tertentu.

Kekerasan mikro permukaan paduan titanium setelah pelapisan laser adalah 800-3000HV. Menggunakan teknologi kelongsong laser untuk memperkuat permukaan paduan aluminium adalah cara yang efektif untuk mengatasi masalah ketahanan aus yang buruk dan mudahnya deformasi plastis pada permukaan paduan aluminium. Dibandingkan dengan metode perkuatan permukaan lainnya, metode ini memiliki karakteristik ikatan metalurgi antara lapisan perkuatan dan matriks aluminium, serta memiliki kekuatan ikatan yang tinggi. Ketebalan lapisan cladding mencapai 1~3mm, struktur sangat halus, lapisan cladding memiliki kekerasan tinggi, ketahanan aus yang baik, dan daya dukung yang kuat, sehingga terhindar dari terbentuknya retakan akibat inkonsistensi regangan antara matriks lunak dan penguatan. lapisan. Selain itu, dengan melapisi lapisan keramik berkinerja tinggi pada permukaan paduan titanium dan paduan aluminium, ketahanan aus dan ketahanan suhu tinggi pada material dapat ditingkatkan secara signifikan.

Pelapisan laser untuk mendapatkan lapisan penghalang termal

Dalam beberapa tahun terakhir, turbin gas mesin penerbangan telah berkembang ke arah rasio aliran tinggi, rasio dorong terhadap berat yang tinggi, dan suhu masuk yang tinggi. Suhu gas dan tekanan gas di ruang bakar terus ditingkatkan. Misalnya suhu sebelum turbin mesin pesawat militer sudah mencapai 1800℃, dan suhu di ruang bakar sudah mencapai 2000℃~2200℃. Temperatur setinggi itu telah melampaui titik leleh paduan temperatur tinggi yang ada. Selain meningkatkan teknologi pendinginan, menyiapkan lapisan penghalang termal (Thermal Bamer Coating, TBCs) pada permukaan komponen ujung panas paduan suhu tinggi juga merupakan cara yang sangat efektif. Hal ini dapat mencapai efek insulasi panas 1700℃ atau lebih tinggi untuk memenuhi persyaratan mesin penerbangan berkinerja tinggi untuk mengurangi gradien suhu, tekanan yang disebabkan oleh termal, dan stabilitas layanan bahan dasar. Pada tahun 1970-an, pelapis penghalang termal keramik (TBC) berhasil digunakan pada bilah turbin gas J-75, dan negara-negara di seluruh dunia telah banyak berinvestasi dalam penelitian mendalam mulai dari bahan hingga proses persiapan.

Sejak tahun 1980-an, peleburan laser pada lapisan keramik pada permukaan material telah memperoleh struktur kristal kolumnar padat, yang meningkatkan toleransi regangan; struktur peleburan laser yang padat dan seragam serta porositas yang rendah dapat mengurangi laju oksidasi lapisan ikatan dan mencegah penetrasi media korosif. Laser berkekuatan tinggi dapat digunakan untuk menyinari langsung bubuk keramik atau logam, melelehkannya dan membentuk ikatan metalurgi pada permukaan logam untuk mendapatkan struktur kristal berbentuk kolom yang tegak lurus permukaan. Karena urutan pemadatan lapisan kelongsong adalah dari permukaan ke dalam, struktur permukaannya relatif halus, dan struktur seperti itu kondusif untuk menghilangkan tekanan termal. Misalnya, lapisan penghalang termal zirkonia yang distabilkan sebagian (YPSZ) 8% (fraksi massa) diperoleh dengan pelapisan laser. Bubuk yang tercampur rata juga dapat ditempatkan pada substrat, dan bubuk yang tercampur diiradiasi dengan laser berkekuatan tinggi. Bubuk meleleh dengan baik dan kumpulan lelehan terbentuk dengan menyesuaikan kekuatan laser, ukuran titik, dan kecepatan pemindaian. Atas dasar ini, bubuk paduan terus ditambahkan ke kolam cair dengan mengubah komposisi, dan proses di atas diulangi untuk mendapatkan lapisan gradien.

Lapisan laser paduan super tahan aus dan tahan korosi pada permukaan komponen utama dapat meningkatkan masa pakai komponen dan memperpendek siklus produksi tanpa merusak permukaan komponen. Lapisan penghalang termal yang dihasilkan oleh kelongsong laser memiliki efek insulasi termal yang baik dan dapat memenuhi persyaratan mesin pesawat berperforma tinggi untuk mengurangi gradien suhu, tekanan yang disebabkan oleh termal, dan layanan bahan dasar yang stabil.

Kesimpulan
Teknologi pelapisan laser memainkan peran penting dalam pengembangan industri penerbangan. Teknologi pelapisan laser dapat meningkatkan kekerasan, ketahanan aus, ketahanan korosi dan ketahanan lelah pada permukaan komponen pesawat, meningkatkan masa pakai material, dan juga dapat digunakan untuk memperbaiki komponen yang aus guna menghemat biaya pemrosesan. Teknologi pelapisan laser diterapkan pada pembuatan suku cadang pesawat, yang dapat mengurangi proses pembuatan benda kerja dan meningkatkan kualitas suku cadang. Dengan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi saat ini, kinerja pesawat secara keseluruhan akan semakin meningkat, dan kebutuhan material akan semakin tinggi. Peningkatan dan pengembangan lebih lanjut teknologi kelongsong laser akan memainkan peran penting dalam kemajuan teknologi industri penerbangan. Material penerbangan akan menghadirkan tampilan baru dengan berkembangnya teknologi laser cladding.