の応用 レーザークラッディング 航空分野の技術

レーザークラッディング技術は、金属表面の耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、耐酸化性を大幅に向上させることができます。現在、レーザークラッディングに関する研究は、主にプロセス開発、クラッディング層材料システム、レーザークラッディングの急速凝固構造、基板との界面結合、性能テストに焦点を当てています。

航空分野は国家安全保障に関わる重要な分野であり、国が支援する戦略産業です。レーザークラッディング技術を我が国の航空機製造にどのように応用するかは、戦略的に大きな意義があります。航空材料は、武器や装備の研究開発と生産にとって重要な材料基盤と技術リーダーです。航空材料基材の硬度と耐摩耗性を強化することは、航空材料の改良にとって大きな意義があります。たとえば、高出力レーザーの開発と応用は、航空材料の表面改質に新しい手段を提供し、材料表面強化技術の開発に新しい道を開きます。セラミック材料は、金属材料とは比較にならないほどの高硬度と高い化学的安定性を備えています。そのため、部品のさまざまな使用条件に応じて適切なセラミック材料を選択できます。高エネルギー密度のレーザー加熱温度と高速加熱速度を利用して、金属材料（チタン合金など）の表面のセラミックコーティングを溶融し、セラミック材料の優れた耐摩耗性、耐腐食性と金属材料の高可塑性、高靭性を有機的に組み合わせることで、航空部品の耐用年数を大幅に向上させることができます。

航空機部品製造におけるレーザークラッディング技術の応用

航空機の機体やエンジンのチタン合金部品は、作業条件下での荷重に耐えるだけでなく、エンジンの始動/停止サイクルにより熱疲労荷重も発生します。交互応力と熱疲労の二重の影響により、さまざまな程度の亀裂が発生し、機体やエンジンの耐用年数に重大な影響を及ぼし、飛行の安全性を脅かすこともあります。そのため、航空チタン合金構造の表面強化方法を研究し、その性能上の利点を十分に発揮させ、より広く使用できるようにする必要があります。

セラミックスは、酸化物セラミックスと炭化物セラミックスに分けられます。酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化コバルト、酸化クロムおよびそれらの複合化合物は、広く使用されている酸化物セラミックスであり、セラミックコーティングを調製するための主な材料でもあります。炭化物セラミックスは、単独でコーティングを調製するのが困難です。通常、コバルトまたはニッケルベースの自己溶融合金を使用して調製され、金属セラミックを形成します。このような金属セラミックスは、硬度が高く、高温性能に優れており、耐摩耗性、耐摩耗性、耐腐食性のコーティングとして使用できます。一般的に使用されるものには、炭化タングステン、炭化チタン、炭化クロムなどがあります。 レーザークラッディング 最初に遷移層材料（NiCr、NAI、NiCrAl、Mbなど）を材料の表面に追加し、次にパルスレーザークラッディングを使用して遷移層のNiおよびCr合金とセラミック内のAl2O3、Zr02などの材料を基板の表面に溶かして多孔性を形成することにより、セラミックコーティングを準備することができます。基板内の金属分子もセラミック層に拡散するため、コーティングの構造と性能が向上します。航空機エンジンのタービンブレードにセラミックコーティングのレーザークラッディングを使用することは、大きな応用価値を持つハイテク技術です。

チタン合金は航空機製造に広く使用されており、例えばTi-6AI-4Vチタン合金は、高強度/重量比、耐熱性、耐疲労性、耐腐食性を備えた主要部品の製造に使用されています。しかし、これらのチタン合金の加工と製造において、従来の加工方法には克服するのが難しい多くの弱点があります。たとえば、仕切り板の製造は、厚さ数インチ、重さ数十キログラムの歯付き合金板で作られており、これらの完成した合金板を得るにはXNUMX年以上かかります。加工が難しいため、このような部品を加工するには、加工センターで数百時間の作業が必要であり、工具の摩耗も大きくなります。 レーザークラッディング技術 この点では大きな利点があり、チタン合金の表面を強化し、製造時間を短縮することができます。

レーザークラッディングは、現代の産業用途において最も大きな可能性を秘めた表面改質技術の 1980 つであり、大きな経済的価値を持っています。211 年代初頭、英国のロールスロイスはレーザークラッディング技術を使用して RBXNUMX タービンエンジンケーシングのジョイントを強化し、良好な結果を達成しました。

近年、米国エアロメット社の研究開発は大きな進歩を遂げ、同社の複数シリーズのTi-6Al-4Vチタン合金レーザークラッディング部品が実際の飛行での使用が承認されました。その中で、F-22戦闘機の2つのフルサイズジョイントは18倍の疲労寿命の要件を満たし、F / A-4E / Fの翼根リングは30倍の疲労寿命の要件を満たし、リフト用コネクティングロッドは飛行要件を満たし、寿命は元の技術要件を20％上回っています。レーザークラッディング技術を使用した表面強化によって製造されたチタン合金部品は、従来のプロセスで製造された部品よりも性能が優れているだけでなく、材料と処理の利点により、生産コストを40％〜80％削減し、生産サイクルを約XNUMX％短縮します。航空部品の修理におけるレーザークラッディングの応用は理想的な結果を達成しました。

レーザークラッディング技術は、航空機の修理に直接的な影響を及ぼします。その利点には、修理プロセスの自動化、熱応力と熱変形が低いことが含まれます。航空機の寿命が継続的に延びると予想されるため、より複雑な修理およびオーバーホールプロセスが必要です。タービンエンジンブレード、インペラ、回転エアシールなどの部品は、表面レーザークラッディング強化によって修復できます。たとえば、レーザー溶融技術は、航空機部品の亀裂を修復するために使用されます。一部の非貫通亀裂は通常、厚肉部品に発生します。亀裂の深さを直接測定することはできず、他の修復技術は役割を果たせません。レーザークラッディング技術を使用できます。亀裂の状況に応じて、複数回の研削と欠陥検出により、亀裂を徐々に除去できます。研削後の溝は、レーザークラッディングと粉末添加多層クラッディングプロセスで埋めることができ、損傷した構造を再構築して性能を回復できます。

相談してください ヒルイレーザー エンジンタービンブレードのレーザークラッディングに使用されるベース材料と合金粉末用。クラッディングに使用される粉末粒子は球形で、サイズは150μm未満です。最良のクラッディング効果を得るには、異なる合金粉末のクラッディング層に異なるプロセスパラメータを使用する必要があります。

損傷したタービンブレードの上部を元の高さに修復します。レーザークラッディングプロセスでは、レーザービームがブレードの上部に非常に浅い溶融深さを形成し、金属粉末がブレードの上部に堆積して溶接部を形成します。コンピュータ数値制御の下で、溶接層がクラッディング層を増加させます。レーザークラッディングでクラッディングされた損傷したブレードとは異なり、手動タングステン不活性ガスアーククラッディングのブレードは、クラッディング後に追加の後処理を受ける必要があります。ブレードの上部は、冷却プロセス中に形成されたギャップを露出させるために正確に処理する必要がありますが、レーザークラッディングではこれらの処理プロセスが省略され、時間とコストが大幅に削減されます。

航空分野では、航空機エンジンのスペアパーツは非常に高価なため、多くの場合、スペアパーツの修理の方がコスト効率が高くなります。ただし、修理された部品の品質は飛行安全要件を満たす必要があります。たとえば、航空機エンジンのプロペラブレードの表面が損傷した場合、何らかの表面処理技術によって修復する必要があります。レーザークラッディング技術は、航空機のプロペラブレードのレーザー3次元表面クラッディング修理によく使用されます。

航空機エンジンブレードをレーザーで補修した実例があります。クラッド材（合金粉末）はインコネル625（Cr-Ni-Fe 625合金粉末）、ブレード材料はインコネル713です。金属組織学的方法でクラッド層の断面を検出することにより、レーザークラッディング後にブレード基材とクラッド層の間に冶金クラッディング遷移領域が形成されることがわかります。この結論は、レーザークラッディング技術の高効率と信頼性、および優れた性能を証明しています。

レーザークラッディング 材料表面の合金クラッディング層を強化し、合金表面の機械的および化学的特性を向上させることができます。オーバーレイ合金粉末は、高い応用価値を持つ理想的なレーザークラッディング材料です。オーバーレイ合金粉末は、レーザービームの照射下で急速に溶融し、航空部品の表面にクラッディングすることができます。このプロセスでは、プレコーティング法を採用できます。プレコーティングされた材料は、ワイヤ、プレート、粉末などです。最も一般的に使用される材料は合金粉末です。レーザークラッディングでは、まずクラッディングする基板の表面にクラッディング材料を事前に配置し、次にレーザービームを使用して溶融したクラッディング材料と基板表面をスキャンして表面強化を実現します。

クラッディング領域は、レーザービームと粉末供給システムの作用により形成されます。基材の材料と合金粉末によって、表面クラッディング層の特性が決まります。レーザーは基材表面に直接照射されて溶融池を形成し、合金粉末は溶融池の表面に送られます。レーザークラッディングプロセス中にアルゴンも溶融池に送り込まれ、基材表面の酸化を防ぎます。溶融池は基材の表面に形成されます。合金粉末と基材表面が両方とも固体の場合、合金粉末粒子は基材表面と接触すると放出され、クラッディングのために基材表面に付着しません。基材表面が溶融池状態にある場合、合金粉末粒子は基材表面と接触すると付着し、レーザービームの作用によりレーザークラッディングが発生し、クラッディングベルトを形成します。

レーザークラッディング層の耐摩耗性は硬度に比例します。クラッディング層の硬度、耐摩耗性、耐腐食性、耐疲労性のバランスをとることは一般的に困難です。レーザークラッディングプロセスにより、基材表面の微細構造と化学組成を改善できます。

レーザークラッディングプロセスは、タングステン不活性ガス溶接（TIG）クラッディングプロセスに比べて大きな利点があります。レーザークラッディング層の特性は、クラッディング合金元素の割合に依存します。クラッディング層の硬度は基材の希釈度に反比例するため、期待される最良の効果を得るには、基材の希釈度の影響をできるだけ避ける必要があります。インコネル792合金の表面では、レーザークラッディングとタングステン不活性ガス溶接を使用して、Rene142合金粉末をクラッディングしました。微小硬度の比較から、レーザークラッディングによって生成された強化表面層の硬度は、タングステン不活性ガス溶接クラッディングの表面硬度よりも高いことがわかります。その理由は、レーザークラッディング層の高い凝固速度と、溶融池で生成される強い対流効果です。したがって、航空分野では、タングステン不活性ガス溶接クラッディングよりもレーザークラッディング技術の方が価値があります。

関連データによると、レーザークラッディング技術で修復された航空部品の強度は、元の強度の90％以上に達することができます。さらに重要なのは、修復時間を短縮し、重要な機器の継続的かつ信頼性の高い動作のために解決しなければならない回転部品の迅速な修復の問題を解決します。

航空材料の表面改質におけるレーザークラッディングの応用

高硬度、耐摩耗性、耐高温性コーティングのレーザークラッディング

高速、高温、高圧、腐食環境で稼働する重要な部品が局所的な表面損傷によって廃棄されるのを防ぎ、部品の耐用年数を延ばすために、世界各国は部品の表面性能を向上させるさまざまな技術の開発に取り組んでいます。従来の表面改質技術（スプレー、メッキ、表面処理など）は、層間結合が悪く、固体拡散が不十分なため理想的ではありません。高出力レーザーとブロードバンドスキャンデバイスの出現は、材料の表面改質のための新しい効果的な手段を提供します。レーザークラッディングは、経済的利益の高い新しいタイプの表面改質技術です。安価で低性能の基板上に高性能のクラッディング層を準備できるため、材料コストが削減され、貴重な希少金属が節約され、金属部品の耐用年数が長くなります。

チタン合金とアルミニウム合金は、現代の航空機製造に広く使用されています。たとえば、米国の第22世代戦闘機F-41の胴体におけるチタン合金の使用率は2500％に達し、米国の先進的なV30エンジンにおけるチタン合金の使用率も約150％に達しています。チタンとチタン合金は、比強度が高く、耐食性に優れ、耐高温性に優れているため、胴体の重量を軽減し、推力対重量比を向上させることができます。チタン合金の欠点は、硬度が低く、耐摩耗性が悪いことです。純チタンの硬度は200〜350HVで、チタン合金は通常XNUMXHVを超えません。多くの場合、チタンとチタン合金の表面には緻密な酸化膜が形成され、腐食防止の役割を果たします。しかし、酸化膜が破れたり、環境が悪かったり、亀裂腐食が発生すると、チタン合金の耐食性が大幅に低下します。

35年に初飛行した米国のF-2000戦闘機のアルミニウム合金の総量は30％を超えています。しかし、アルミニウム合金の強度は十分ではなく、使用中に塑性変形を起こしやすく、特にアルミニウム合金の表面硬度が低く、耐摩耗性が悪いため、その用途はある程度制限されています。

レーザークラッディング後のチタン合金表面の微小硬度は800〜3000HVです。レーザークラッディング技術を使用してアルミニウム合金の表面を強化することは、アルミニウム合金表面の耐摩耗性が低く、塑性変形しやすいという問題を解決する効果的な方法です。他の表面強化方法と比較して、この方法は強化層とアルミニウムマトリックスの間に冶金結合特性があり、高い結合強度を持っています。クラッディング層の厚さは1〜3mmに達し、構造は非常に細かく、クラッディング層は高硬度、優れた耐摩耗性、強力な支持力を備えているため、柔らかいマトリックスと強化層の間のひずみの不一致による亀裂の形成を回避できます。また、チタン合金とアルミニウム合金の表面に高性能セラミックコーティングをクラッディングすることで、材料の耐摩耗性と耐高温性を大幅に向上させることができます。

熱遮断コーティングを得るためのレーザークラッディング

近年、航空エンジンのガスタービンは、高流量比、高推力重量比、高入口温度の方向に発展しており、燃焼室内のガス温度とガス圧力は継続的に向上しています。たとえば、軍用航空機エンジンのタービン前温度は1800℃に達し、燃焼室内温度は2000℃〜2200℃に達しています。このような高温は、既存の高温合金の融点を超えています。冷却技術の向上に加えて、高温合金のホットエンド部品の表面に熱遮断コーティング（サーマルバーマーコーティング、TBC）を施すことも非常に効果的な手段です。1700℃以上の断熱効果を実現し、高性能航空エンジンの温度勾配、熱誘起応力、ベース材料の使用安定性の要件を満たすことができます。 1970年代には、セラミック熱遮蔽コーティング（TBC）がJ-75ガスタービンブレードに使用され、世界各国が材料から製造プロセスに至るまでの徹底的な研究に多額の投資を行ってきました。

1980年代以降、材料表面のセラミック層をレーザー溶融することで、緻密な柱状結晶構造が得られ、ひずみ耐性が向上しました。緻密で均一なレーザー再溶融構造と低多孔性により、結合層の酸化速度が低下し、腐食性媒体の浸透を防ぐことができます。高出力レーザーを使用して、セラミックまたは金属粉末を直接照射し、溶融して金属表面に冶金結合を形成し、表面に垂直な柱状結晶構造を得ることができます。クラッド層の凝固順序は表面から内部に向かうため、表面構造は比較的細かく、このような構造は熱応力の緩和に役立ちます。たとえば、8％（質量分率）イットリア部分安定化ジルコニア（YPSZ）熱バリアコーティングは、レーザークラッディングによって得られました。均一に混合された粉末を基板上に置き、混合された粉末に高出力レーザーを照射することもできます。レーザー出力、スポットサイズ、スキャン速度を調整することで粉末を十分に溶融し、溶融池を形成し、その上で合金粉末を組成を変えながら溶融池に連続的に添加し、上記の工程を繰り返すことで傾斜コーティングを得る。

レーザークラッディング 主要部品の表面に超耐摩耗性、耐腐食性の合金をコーティングすると、部品の表面が変形することなく、部品の耐用年数を延ばし、製造サイクルを短縮できます。レーザークラッディングで製造された遮熱コーティングは優れた断熱効果があり、高性能航空機エンジンの温度勾配、熱誘起応力の低減、ベース材料の安定したサービスという要件を満たすことができます。

結論
レーザークラッディング技術は、航空産業の発展において重要な役割を果たしています。レーザークラッディング技術は、航空機部品の表面の硬度、耐摩耗性、耐腐食性、耐疲労性を向上させ、材料の耐用年数を延ばすだけでなく、摩耗した部品の修理にも使用して加工コストを節約できます。レーザークラッディング技術は航空機部品の製造に応用されており、ワークピースの製造プロセスを削減し、部品の品質を向上させることができます。今日の科学技術の進歩に伴い、航空機の全体的な性能はさらに向上し、材料に対する要求はますます高くなります。レーザークラッディング技術のさらなる改善と発展は、航空産業の技術進歩において重要な役割を果たすでしょう。航空材料は、レーザークラッディング技術の発展とともに新たな姿を見せるでしょう。