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激光技术在飞机结构损伤修理中的应用

导读: 20世纪60年代第1台激光器发明以来,激光因其具有高方向性、高亮度、高单色性和高相干性等优良品质而被广泛应用于诸多领域,成为理想的加工热源。

  20世纪60年代第1台激光器发明以来,激光因其具有高方向性、高亮度、高单色性和高相干性等优良品质而被广泛应用于诸多领域,成为理想的加工热源。激光经聚焦后光斑上的功率密度可达104~1015W/cm2,金属材料在高的功率密度光的照射下会瞬间快速升温、熔化甚至瞬间汽化。因此,应用不同的功率密度和加热作用时间,激光就可实现表面热处理、表面重熔、合金化、熔覆、焊接、切割、打孔、表面冲击强化等不同的加工目的,是非常理想的加热源。激光加工的表面改性技术已在飞机结构、航空发动机制造领域得到应用。我国使用激光熔覆技术熔铸航空发动机涡轮叶片冠部、涡轮导向器,成功恢复了损伤件的形状、尺寸和性能。

  近些年来,随着新机的快速装备,钛合金和复合材料已成为我军现役飞机的主要结构材料。而激光由于具有高方向性、高亮度、高相干性等优良品质而被广泛应用于各个领域,它也必将在飞机结构修理领域扮演重要角色。

  激光加工技术应用

  1 激光热处理技术

  以一定速度移动的激光束照射金属表面时,表层金属吸收能量后迅速升温,当光斑移动后,基体材料吸收表层的热量使表层金属的温度以极高的速度迅速下降,形成不同于常规淬火的自淬火。由于自淬火的降温速度极高,因此可得到显微组织特殊的表面改性层,这对于提高金属的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐疲劳性有良好的作用。激光热处理是最早开发的激光加工技术,现在已形成了较完善的理论和工程应用技术。对于可以相变强化的碳钢、合金结构钢,激光表面淬火可以产生传统淬火更高的硬度,甚至对于不具有淬硬性的一些低碳钢材料也有一定的强化作用。图1为35CrMo钢的激光淬火效果。

  2 激光表面重熔技术

  应用比激光表面淬火更高的激光功率密度照射金属表面会使表层金属熔化,光斑移动后,基体金属吸热使熔池内金属液体迅速固化,形成强烈激冷的具有极细晶粒和过饱和固溶体显微组织,由于细晶强化和固溶强化的作用,可以明显提高材料表面的硬度、耐磨性。研究表明,通过重熔,铝合金的硬度可以提高30%~100%,这是工艺最简单的激光加工技术,但是强化的幅度有限。对于承受交变载荷的飞机结构铝合金型材、板材,激光重熔后必然存在的过热层的疲劳品质是决定结构使用寿命的关键,因此,在进入工程应用前须以试验验证激光重熔对材料疲劳性能的影响。对于结构钢材料,重熔硬化效果显著,图2所示为45#钢激光重熔不同区域组织。由图2可以看出,激光重熔后组织由珠光体转换成马氏体。

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