Абстрактный
Корпусные детали из алюминиевых сплавов подвержены появлению дефектов, таких как пористость и трещины, в процессе производства и эксплуатации, что приводит к отбраковке деталей и нерациональному использованию ресурсов. Данное исследование посвящено аэрокосмическим деталям из алюминиевого сплава ZL105A с использованием технологии лазерной наплавки для устранения пористости, образовавшейся в процессе эксплуатации, с применением порошка AlSi10Mg. Путем настройки параметров процесса и проведения металлографического анализа была оценена пористость наплавленного слоя при различных условиях. Оптимальные параметры процесса были определены следующим образом: мощность лазера 1,6~1,8 кВт, скорость подачи порошка 0,6 об/мин, расход газа аргона 4 л/мин, шаг сканирования 1,2 мм, скорость сканирования 600 мм/мин. После ремонта плотность детали достигла 98,18%.

Введение
С развитием технологий аддитивного производства металлов лазерная наплавка стала важным методом устранения дефектов деталей. Однако алюминиевые сплавы характеризуются низким поглощением лазерного излучения, высокой теплопроводностью и восприимчивостью к окислению, что, наряду со сложной структурой и тонкостенными характеристиками корпусных деталей, затрудняет ремонт. В данном исследовании, основанном на реальных производственных потребностях, рассматривается технология ремонта корпусов из алюминиевых сплавов с помощью лазерной наплавки, что обеспечивает техническую поддержку для восстановления ключевых аэрокосмических компонентов.

Современные исследования в области технологии лазерной наплавки

Отечественные исследования
Исследования технологии лазерной наплавки в Китае начались в 1990-х годах и были сосредоточены в основном на оптимизации параметров процесса, характеристиках материала наплавки и разработке оборудования. Например, Лю Сюбо и др. изучали влияние скорости сканирования на микроструктуру и твердость наплавленного слоя. Ву Хунлян и др. использовали сплавы на основе никеля для лазерной наплавки поверхности титанового сплава TA2, значительно повысив его твердость. Ванг и др. провели систематическое исследование свойств плакирующего слоя Ti2Ni3Si/Ni3Ti. Отечественные компании, такие как Xi'an Bishi и Bolite, активно разрабатывают оборудование для лазерной наплавки. Однако существующее оборудование обычно работает на мощности 3000~6000 Вт с ограниченной глубиной наплавки.

Международные исследования
За рубежом исследования в области лазерной наплавки начались раньше, они касались характеристик материалов и разработки оборудования. Например, Игнат и др. проанализировали взаимосвязь между скоростью разбавления и параметрами процесса. Бернабе и др. использовали порошок Al-Si для наплавки магниевых сплавов, добившись высокой твердости и коррозионностойких покрытий. Оселик и др. улучшили фрикционные свойства путем лазерной наплавки TiB2/Ti-6Al-4V. Зарубежные компании, такие как Lasermach в Бельгии и Nittany Laser в США, разработали оборудование для лазерной наплавки на внутренние поверхности с мощностью от 2000 до 6000 Вт и максимальной глубиной обработки до 500 мм.

Экспериментальные методы

Оборудование и материалы
Эксперименты проводились на установке направленного осаждения лазерной энергии LDM8060, оснащенной коаксиальной системой подачи порошка, пятиосевым рабочим столом и системой защиты от аргонового газа. В качестве наплавочного материала использовался порошок AlSi10Mg, приготовленный методом распыления, с размером частиц в диапазоне 53-105 мкм, обеспечивающим хорошую свариваемость.

Проектирование параметров процесса
Было сравнено несколько наборов параметров процесса (см. табл. 1), и для дальнейшей проверки были выбраны параметры групп В и С:

Дизайн светильников
Для ремонта внутренних отверстий в корпусных деталях было разработано специализированное приспособление, использующее для фиксации нижние отверстия и параллельные поверхности детали. Приспособление имело максимальное смещение лазерного пятна на 1,5 мм при вращении, что незначительно влияло на качество наплавки.

Результаты и обсуждение

Анализ качества облицовочного слоя
С помощью металлографического анализа и программы ImageJ для статистического определения пористости были получены следующие результаты:

Параметры группы B: Средняя глубина бассейна расплава 181,73 мкм, среднее количество пор 274,67, при этом 98,58% пор имеют диаметр ≤ 50 мкм.

Параметры группы C: Средняя глубина бассейна расплава 961,63 мкм, среднее количество пор 188,67, при этом 98,18% пор имеют диаметр ≤ 50 мкм.

При параметрах группы С бассейн расплава более глубокий, с гораздо меньшим количеством пор, что делает его более подходящим для устранения дефектов с глубокими отверстиями.

Фактический тест на ремонт деталей
Испытания наплавки проводились под защитой аргона (содержание кислорода <200 ppm) и на воздухе. Плакированный слой под защитой аргона был более однородным и плотным, в то время как при плакировании на воздухе появлялись предварительно агрегированные частицы. После ремонта была выполнена резка, но несоосность центрирования привела к неравномерной резке плакирующего слоя, что указывает на необходимость повышения точности центрирования приспособления.

Заключение
В результате оптимизации параметров процесса были определены следующие оптимальные параметры для ремонта корпусов из алюминиевого сплава ZL105A: мощность лазера 1,6~1,8 кВт, скорость подачи порошка 0,6 об/мин, расход аргона 4 л/мин, шаг сканирования 1,2 мм и скорость сканирования 600 мм/мин.

Облицовочный слой под аргоновой защитой продемонстрировал более высокое качество, но при этом обошелся дороже.

Воздушная облицовка, хотя и была более эффективной и экономичной, давала менее равномерный слой.

При реальном ремонте необходимо обеспечить точность центрирования приспособления, чтобы гарантировать целостность плакирующего слоя и качество обработки.