Unternehmensnachrichten über Anwendung der Laserbeschichtung in der Reparatur von Luftfahrtkomponenten: Alternative zur Chrombeschichtung

Heute wird die Laser -Cladding -Technologie zur Reparatur von Luft- und Raumfahrtteilen und -komponenten untersucht, um die Chrombeschichtung zu ersetzen. Durch Experimente wird verifiziert, dass die Verkleidungsschicht eine hohe Härte und Durchführbarkeit der anschließenden Verarbeitung aufweist. Schließlich wird die Laserverkleidung mit der herkömmlichen Chrombeschichtungstechnologie verglichen.

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Anwendungshintergrund

Luft- und Raumfahrtwerkzeuge wie Armaturen, Ringe und Unterstützungsstrukturen sind mit starker Verschleißprobleme, die durch die Verarbeitung hochfestiger Materialien (z. Herkömmliche Reparaturmethoden verwenden hauptsächlich Hartchrombeschichtung, dieser Ansatz hat jedoch erhebliche Nachteile:

① Umweltrisiken: Chromsäurlösungen sind krebserregend und nach EU -Reichweite streng reguliert;

② Prozessdefekte: Die Beschichtung ist anfällig für das Schälen und Blasen und erfordert mehrere Nacharbeitenzyklen.

③ Einschränkungen der Dicke: Die Beschichtung überschreitet typischerweise 1 mm, wobei die Bearbeitungszulage unzureichend bleibt.

Um diese Probleme anzugehen, wird eine neue Reparaturlösung, die sich auf die Laserkladding (Laser Cladding, LC) -Technologie konzentriert, vorgeschlagen. Diese Methode verwendet umweltfreundliche, hochpräzise additive Herstellungsprozesse, um die Werkzeugflächen zu regenerieren und ihre Leistung zu verbessern. Die technischen Funktionen sind wie folgt:

Hervorragende Umweltleistung

① eliminiert Chromsäure vollständig unter Verwendung von Metallpulvern als Beschichtungsmaterial, wobei sie mit grünen Herstellungstrends ausgerichtet sind.

② Der Prozess hat keine schädlichen Emissionen und erfüllt EU -regulatorische Anforderungen.

Metallurgische Bindung

① Die Beschichtung bildet eine metallurgische Bindung zum Substrat durch Diffusionsmechanismen und stellt keine Defekte wie Blasen oder Schälen an der Grenzfläche sicher.

Anpassungsfähigkeit an komplexe Strukturen

① multidimensionale Reparaturen auf flachen Oberflächen, externe zylindrischen Oberflächen und innere zylindrische Oberflächen, die typische Werkzeugstrukturen abdecken;

② Durch die kollaborative Kontrolle der Roboter und die geneigte Pulver-Fütterung (10 ° -30 °) kann es die Herausforderung der Verkleidung in engen Räumen lösen.

Bearbeitungszulage

① Multi-Layer-Verkleidung (z. B. 2 mm dick) sorgt dafür, dass die Bearbeitungszulage die Nacharbeit vermeidet, die durch übermäßig dünne traditionelle Beschichtungen verursacht werden.

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Laserverkleidung: Materialien und Methoden

Grundmaterial: 40HM niedriger Legierungsstahl

Merkmale: Härte 28-32 h.

Selektionsbasis: seine Wärmebehandlungsleistung (Abschreckung + Temperatur) und die Kompatibilität des Wärmeeingangs von Laser -Verkleidungen, um sicherzustellen, dass das Substrat während des Verkleidungsverfahrens nicht verformt oder knackt.

Beschichtungsmaterial: Nicrbsi -Legierungpulver

Zusammensetzung: NI-Basis (Cr 17%, B 3,5%, Si 4%, C 1%, Fe 4%), Partikelgrößenverteilung 15-53 µm. Markenname: Swiss Oerlikon Metco Metco 15f.

① Selbstverkleidung: B und Si können den Schmelzpunkt reduzieren, den Fluss des Schmelzpools fördern und die nicht geschmolzenen Partikel verringern.

② Hohe Härte: Cr und C bilden harte Carbide wie Cr₇c₃, Cr₃c₂, um den Verschleißfestigkeit zu verbessern.

③ Risswiderstand: Die Ni -Matrix lindert den thermischen Spannung und vermeidet das Knacken der Verkleidungsschicht.

Produktanforderungen für den Laserverrückungsverfahren

1. Die Dicke der Verkleidungsschicht ist größer oder gleich 1,5 μm

2. Die Härte der Verkleidungsschicht beträgt mehr als 38 HRC

* Produkt physisch (links), technische Zeichnungen (rechts)

Laser -Verrückungssystem

Laser: Laserline, Modell LDF 4000-30, Wellenlänge 940-980nm.

Pulver -Fütterungssystem: GTV -PF -Pulverfuttermittel.

Verkleidungskopf: Fraunhofer IWS Koaxialer Kleidungskopf, Punktdurchmesser 3,5 mm.

Roboter: REIS RV60-40 Roboter + RDK-05 Drehungstabelle, die eine komplexe Flugbahnregelung realisieren kann.

Prozessparameteroptimierung

· Logik: Maximieren Sie die Höhe und Härte der Verkleidungsschicht, minimieren Sie die Tiefe der Fusion und der thermischen betroffenen Zone und vermeiden Sie eine Überhitzung und Erweichen des Substrats.

· Optimale Parameter: Laserleistung 1000W + Pulver -Fütterungsrate 17,4 g/min, hohe Härte (> 700 HV 1) und niedrige Verdünnungsrate (<10%).

* Verkleidungsprozessparameter

* Schematisches Diagramm der Einkanalkladdingschichtmessung

Multi-Pass-Multi-Layer-Verkleidungsstrategie

Pfadplanung

Planare Oberfläche (KLAD A): Paralleler Scan -Pfad, Überlappungsrate 50%, Neigung 10 °, um die Ansammlung von Pulver zu vermeiden.

Äußere zylindrische Oberfläche (verkleidet B): Spiralcan -Pfad, synchrone Kontrolle des rotierenden Tisches, geneigt 10 °.

Innere zylindrische Oberfläche (verkleidet C): Stellen Sie den Pulver -Fütterungswinkel in die Stabilität des geschmolzenen Pools ein.

Schichtregelung: 2 Schichten der Verkleidung, Gesamtdicke von 2 mm, um Risse zu vermeiden, die durch mehrere thermische Zyklen verursacht werden.

Matrix Vorbehandlung:

Oberflächenpolieren: Schleifpapierpolieren zu ra <1,6 µm, entfernen Sie die Oxidschicht und die Ölkontamination.

Reinigung: Ultraschallreinigung mit Isopropanol, um keinen Ölrückstand zu gewährleisten.

Nachbearbeitung

Drehung: Flache und externe zylindrische Oberflächen werden auf CNC -Drehmaschinen gedreht.

Schleifen: Verwenden Sie die Meldungsmaschine mit mittlerer Loch für flache und externe zylindrische Oberflächen.

Mahling: Mahling von inneren zylindrischen Oberflächen auf einer speziellen Fräsmaschine.

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Laserverkleidung: Prozessparameter

Die Wirkung der Laserkraft

Eine hohe Leistung führt zur Ausdehnung des Schmelzpools und zur Verschärfung des Schmelzens des Basiskörpers, aber die Verdünnungsrate kann 20%überschreiten, wodurch die Reinheit der Beschichtungszusammensetzung verringert wird.

A) Die Höhe der Verkleidungsschicht, b) die Breite der Verkleidungsschicht, c) die Tiefe der Fusion, d) Die Hazentiefe variiert mit der Laserleistung und der Pulver -Fütterungsrate

Härte und Verdünnungsrate

① Wenn die Laserleistung 1000 W beträgt und die Pulver -Fütterungsrate 10,4 g/min beträgt, erreicht die Härte den Höhepunkt von 680 HV0.3. Zu diesem Zeitpunkt ist die Verdünnungsrate niedrig (~ 10%) und der Anteil der Hartphase (Cr₇c₃, cr₃c₂) in der Beschichtung hoch.

② Hohe Verdünnungsrate (> 20%) führt zur Infiltration von Matrix-Eisen in die Beschichtung und bildet die Fe-CR-Feststofflösung, wodurch die Wirkung der Hartphasenverstärkung schwächt.

* Einfluss von Prozessparametern auf Härte und Verdünnungsrate: a) Härte, b) Verdünnungsrate

Die Wirkung der Pulver -Fütterungsrate

Eine übermäßige Pulver-Fütterungsrate (> 17,4 g/min) führt zu mehr nicht geschmolzenen Partikeln und verringert die Beschichtungsdichte.

* Beziehung zwischen der Pulver -Fütterungsrate und der Einkanalkladdinghöhe: Wenn die Laserleistung weniger als 1000 W beträgt, erhöht sich die Pulver -Fütterungsrate und die Verkleidungshöhe erhöht sich logarithmisch

Multi-Layer-Verkleidungsstrategie

Bei einer Überlappungsrate von 50% und zwei verschmutzten Schichten beträgt die Gesamtdicke 2 mm. Obwohl die Höhe einer einzelnen Schicht begrenzt ist und mehrere Schichten die Anforderungen an die Bearbeitungsberechtigung erfüllen können, muss der thermische Eingang gesteuert werden, um die Erweidung der Matrix (Hazetiefe <200 μm) zu vermeiden.

* Oberflächenbeschichtendicke: Die Schichtdicke der Ebene, die äußere zylindrische Oberfläche und die innere zylindrische Oberfläche beträgt 2 mm

* Lokale Defekte auf der Oberfläche des Produkts nach der Verkleidung: a) konvexe und konkave Start- und Endpunkte der Außenoberfläche, b) Phänomen des Pulveradhäsions auf der inneren Oberfläche

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Mechanische Verarbeitung und Defektanalyse

Schleifbearbeitung

Oberflächenqualität: Die Oberflächenrauheit RA = 0,272 μm nach dem Schleifen, was den Anforderungen der Luft- und Raumfahrtwerkzeuge ra <1,25 μm entspricht. Es wurden keine Risse gefunden, wenn die Schleiftiefe 0,4 mm betrug.

Vorteile: Das Schleifen entfernt das Material durch Mikroschnitte, vermeidet Aufprallbelastungen bei hohen Härtebeschichtungen (~ 750 HV1) und das Verringern des Risikos von Rissen.

Drehen und mahlen

Werkzeugkleidung: Beim Drehen der äußeren zylindrischen Oberfläche riss die Schneidekante des Hartlegierwerkzeugs nach dem Schneiden von 0,3 mm. Der Grund dafür ist, dass die Beschichtungshärte hoch ist, was zu übermäßigem Scherstress führt.

Oberflächendefekte: Beim Mahlen der inneren zylindrischen Oberfläche treten lokale Risse in der Beschichtung auf. Der Hauptgrund hängt mit dem Kopplungseffekt von Restspannungen in der Verkleidungschicht und dem Schneiden von Vibrationen zusammen.

* Die Ebene und die äußere zylindrische Oberfläche nach dem Drehen: Beschichtung von Rissen und unregelmäßigen Chips

* Werkzeugkleidung: a) Außenzylindrische Oberfläche nach dem Drehen, b) Hartlegierklingenrandfraktur

* Polierte äußere zylindrische Oberfläche: Oberflächenrauheit verbessert sich, aber immer noch sichtbare Mikrokratzer

* Gewohnte innere zylindrische Oberfläche: Lokaler Beschichtungsriss, Mahlvibration und Restspannungskupplungswirkung

Vorschläge für Verarbeitungsparameter

Drehung: Höhere rote Härtewerkzeuge wie CBN oder Diamantbeschichtungen sind erforderlich, ergänzt durch Kühlmittel, um die thermische Spannung zu verringern.

Fräsen: Reduzieren Sie den Futter pro Zahn und verwenden Sie Hochgeschwindigkeitsfräsenstrategie, um Vibrationen zu unterdrücken.

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Mikrostruktur und Phasenanalyse

Schnittstellenmetallurgische Bindung

SEM: Es gibt keine Poren oder Risse an der Grenzfläche zwischen der Verkleidungschicht und dem Substrat und zeigen einen kontinuierlichen Übergang. Das Substrat 40HM -Stahl bildet aufgrund der schnellen Abkühlung Plattenmartensit, während der Bereich von der Grenzfläche abgeschaltet ist.

Diffusionsmechanismus: Ni- und Cr -Elemente im Schmelzpool diffundieren in die Matrix und bilden eine gegenseitige Diffusionszone etwa 5 & mgr; m dick, was die Grenzflächenbindungsstärke verbessert.

* Das Substrat und die Beschichtung sind metallurgisch gebunden, und an der Grenzfläche befinden sich keine Poren oder Risse

Mikrostruktur: a) Basis -Martensit, b) Dendritwachstum in der Übergangszone, c) Verteilung von Beschichtungsdendriten und Hardphase

* Härteverteilung und Matrixphasentransformation: Die Härte der Verkleidungszone beträgt 754-762HV1, die Härte der Matrix in der Nähe der Grenzfläche beträgt 605HV1 (Martensit) und die Härte des FAR-Abschieds beträgt 402HV1 (Temperted Struktur)

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Zusammenfassung der technischen Anwendungen

Prozesssubstitution

Für Produkte, die durch Vorschriften oder hohe Präzision begrenzt sind, wird die Laserverkleidung und die Chrombeschichtung ersetzt. Geeignete Pulver werden ausgewählt, um die Härte und den Risswiderstand zu berücksichtigen.

Parameteroptimierung

① Durch die experimentelle Einzelkanalkalibrierung wird die Verdünnungsrate auf weniger als 10% gesteuert, um eine Matrixweichung zu vermeiden.

② Beim Multi-Schicht-Verkleidungen reservieren Sie 0,3-0,5 mm Schleifgeld.

Defektprävention und Kontrolle

Schleifen des Substrats, gründliche Entfernen von Oberflächenölflecken, eliminierende Poren; Pulver vor trocken in feuchter Umgebung.

Dies dient nur zu Ihrer Referenz!

* Hinweis: Vergleich zwischen Laserverkleidung und traditioneller Chrombeschichtung

Laserverkleidung gegen Chrombeschichtung: Vergleichende Analyse
Teil 1: Prozessprinzip und Umweltauswirkungen
Dimension	Traditionelle Chrombeschichtung	Laserverkleidung (LC)
Prozessprinzip	Elektrochemische Ablagerung: CR³⁺ reduziert auf metallisches Chrom in Chromsäurelösung (Dicke <1 mm).	Metallurgische Bindung: Laserschmelzensubstrat und Metallpulver (z. B. Nicrbsi), um eine diffusionsbindende Schicht (Dicke ≤ 2 mm) zu bilden.
Umweltauswirkungen	Toxizität: Verwendet krebserzeugende CR⁶⁺ -Lösungen. Abfall: Komplexe Neutralisation/Filtration erforderlich.	Ungiftig: Metallpulver (z. B. Nicrbsi). Null Flüssigkeitsabfälle: Pulvernutzung> 90%.
Regulatorische Einschränkungen	Die EU schränkt den industriellen Gebrauch ein.	Keine Einschränkungen; Als „grüne Wiederaufbereitung“ eingestuft.

Laserverkleidung gegen Chrombeschichtung: Vergleichende Analyse
Teil 2: Beschichtungsleistung und Bindungsmechanismus
Dimension	Traditionelle Chrombeschichtung	Laserverkleidung (LC)
Bindungsmechanismus	Mechanische Bindung (physikalische Adsorption); Anfällig für Delaminierung.	Metallurgische Bindung mit elementarer Diffusion; Grenzflächenfestigkeit ≈ Substratmaterial.
Härte und Verschleiß	Härte: 800–1000 HV (spröde). Die Verschleißfestigkeit hängt von der Dicke ab.	Härte: 700–760 HV (Nicrbsi). Cr₇c₃/cr₃c₂ -Phasen verbessern die Verschleißfestigkeit.
Defekttypen	Blasenbildung (Kontamination). Delaminierung (Stress).	Porosität (ungleichmäßige Pulver -Fütterung). Mikrorissen (thermische Akkumulation; über Parameter fixierbar).

Laserverkleidung gegen Chrombeschichtung: Vergleichende Analyse
Teil 3: Prozessflexibilität und Kosteneffizienz
Dimension	Traditionelle Chrombeschichtung	Laserverkleidung (LC)
Prozesskompatibilität	Auf Mahlen beschränkt; Drehen/Mahlen verursachen das Schälen.	Kompatibel mit Schleifen/Drehen/Fräsen (optimierte Werkzeuge wie CBN). Wiederholbare Reparaturen.
Kostenstruktur	Niedrige Kosten pro Einheit für Massen (> 5 Stücke), aber hohe Abfallbehandlungskosten.	Keine Schimmelpilze; Ideal für kleine Chargen.
Ausfallmodi	Die Delaminierung enthüllt das Substrat.	Lokalisierte Verschleiß; gezielte Reparaturen möglich.

Laserverkleidung gegen Chrombeschichtung: Vergleichende Analyse
Teil 4: Praktische Anwendungsszenarien
Szenario	Traditionelle Chrombeschichtung	Laserverkleidung (LC)
Einfache Geometrie	Geeignet für flache Oberflächen (z. B. Festplattenebenen).	Umwelt bevorzugte Alternative.
Komplexe Geometrie	Begrenzt (z. B. innere Hohlräume/schmale Lücken).	Die Roboterpfadplanung ermöglicht die Verkleidung an komplexen Oberflächen.
Hohe Präzision	Nach-Grindungs-Toleranz ± 0,01 mm, begrenzt durch Beschichtungsdicke.	Dickenkontrolle (± 0,1 mm); ausreichende Bearbeitungszulage.
Extreme Umgebungen	Die Beschichtung schlägt bei> 300 ° C (Oxidation/Delaminierung) aus.	Nicrbsi hält ~ 800 ° C (z. B. Motorkomponenten).