高性能航空金属材料激光快速成形与激光表面改性研究进展.pdf

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1、 1 高性能航空金属材料激光快速成形 与激光表面改性研究进展*王华明 张凌云 李 安 蔡良续 汤海波 张述泉(北京航空航天大学先进材料激光成形制造技术实验室 北京 100083)0 前言*轻质、高强、耐高温高性能金属结构材料及其先进的材料制备与零件成形制造技术，是先进飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备研制与生产的基础和关键技术。随着国防装备技术水平的不断提高(例如，随着飞机飞行速度、航程及航空发动机推重比的不断提高等)，对高性能金属结构材料使用性能及其材料制备与零件制造技术的要求越来越高。本文针对新一代飞机及高推重比航空发动机研制对轻质、高强、耐高温等高性能金属

2、结构材料及其成形制备技术的需要，并结合作者所在实验室相关研究进展，简要报道本实验室在大型复杂钛合金结构件激光直接快速成形技术及激光熔覆难熔金属硅化物高温、耐磨、耐蚀多功能涂层材料等方向的最新研究及应用进展。1 高性能大型复杂钛合金结构件激光直接快速成形技术 钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点，在先进飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备中被广泛用作对国防装备性能具有决定性影响的关键结构件，钛合金用量的高低已成为衡量飞机、发动机等许多先进国防装备先进性的重要标志之一。同时，为最大程度减轻航空航天国防装备结构重量，飞机、发动机、飞船

3、、卫星等先进国防装备中大量采用大型复杂整体钛合金结构件，例如，F22 等四代机先进战机机身结构大量采用整体大型钛合金锻件，如 F22 中机身四个整体承力隔框锻件最大投影面积达到 5.53 m2，锻件毛坯重量重达 1 8972 976 kg，机械加工后最终零件重量仅仅 83.7143.8 kg，材料利用率仅仅 2.92%4.90%，单件零件机械切削加工时间长达 6 个月以上。采用传统锻造机械加工方法制造这些大型复杂整体钛合金结构件，不仅强烈依赖于我国匮乏或尚不具备的大型与超大型工业基础设施(如：410 万吨级水压机、100 吨米以上的超大自由锻造设备等)及其配套设施与技术水平、需要制造成本很高且

4、准备周期很长的大型或超大型锻造模具加工制造，而且零件机械切削加工量很大、材料利用率很低，需要昂贵的大型或超大型数控机械加工设备，制造成本很高，生产制造周期很长，严重影响国防装备的研制与规模化生产。事实上，大型复杂钛合金关键结构件成形制造技术，是严重制约我国航空、航天等国防装备研制和生产的瓶颈性 技术。“高性能金属结构件激光直接快速成形制造技术”，利用快速原型制造(RPM)的基本原理，通过金属材料快速凝固激光熔覆逐层沉积，直接由零件 CAD 模型一步完成组织致密、成分均匀、性能优异的高性能近终形复杂金属零件的快速成形制造，采用该技术可在无需毛坯制备、无需模具加工制造、无需重型或超重型锻铸工业基础

5、设施等的条件下，直接实现钛合金、高温合金、金属间化合物等高性能近终形复杂零部件的无模快速成形制造，是一种代表着先进制造技术与材 *国家“863 计划”课题(2002AA331030、2003AA305750、2002AA305203)、国家自然科学基金(重点项目 50331010、面上项目 50471006)、教育部“跨世纪优秀人才计划”基金和航空基础科学基金(05H51009)资助项目。2 料技术发展方向、将“高性能结构材料设计、制备与近终形高性能复杂零件直接成形制造”有机融为一体的“无模”、非接触、无污染、数字化、知识化成形制造新技术。与传统铸锭锻造成形制造技术相比，存在工序少(材料制备与

6、近终形零件成形制造一步完成且不依赖于重型或超重型锻铸工业基础设施)、制造周期短、材料利用率高、机械加工量小、成本低等独特优点，此外，采用该技术还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度材料高性能金属零件的直接快速成形，尤其适合于国防装备中钛合金等高性能大型复杂近终形金属零部件的直接快速成形制造，对国防装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的影响。美国等世界军事强国对该技术的研究及应用极为重视，研究及应用进展迅速，从 1995 年钛合金结构件激光快速成形技术新概念的提出，到 2000 年实现在 F/A-18E/F、F22 等先进战机机身机翼关键钛合金上的批量实际应用，总共不到 5 年时

7、间。我国在此领域的研究起步较早，特别是我国在激光熔覆技术研究及应用方面具有很好的研究基础，研究工作受到国家自然科学基金“重点项目”、国家重大基础计划(973 计划)项目及国家高技术研究发展计划(863 计划)等国家重要研究计划的重点支持，应用基础及应用研究进展较快，其中，北京航空航天大学 1998 年以来一直致力于钛合金、高温合金、金属间化合物等先进金属结构材料激光快速成形制造技术的研究及工程化应用，研制出了国内首套、拥有多项自主知识产权的“动态密封惰性气氛保护钛合金结构件激光快速成形”成套工艺装备，突破了钛合金复杂结构件激光成形工艺关键技术，激光快速成形 TC4、TA15 等钛合金全面力学性

8、能(室温拉伸、高温拉伸、高温持久、光滑疲劳、缺口疲劳等)达到和全面超过锻造钛合金水平，激光快速成形飞机钛合金构件地面静强度及疲劳强度对比考核试验结果表明，激光快速成形钛合金构件疲劳及静力性能均远远超过锻造钛合金。经 4 年努力后，于 2005 年在国内首次成功实现激光快速成形钛合金复杂结构件在飞机上的装机应用，使我国成为世界上继美国之后第二个完全掌握并成功实现激光快速成形钛合金复杂结构件在飞机等高技术装备中工程化应用的国家。2 钛合金激光表面改性技术 钛合金存在着摩擦系数高且不稳定、室温耐磨性低、高温耐磨性低、易粘着、抗微动磨损性能低、高温抗氧化性能低等固有缺点，严重限制了钛合金在航空发动机等

9、先进国防装备中作为高温摩擦磨损运动副零部件的应用和钛合金优异力学性能潜力的发挥。由于摩擦、粘着、磨损、氧化等失效行为均起源于钛合金零件表面，因此，采用先进的表面改性技术，直接在钛合金零件表面上制备一层具有低摩擦系数、优异粘着磨损及磨料磨损性能、优异抗氧化性能、涂层同钛合金零件基材之间为牢固冶金结合、涂层性能及涂层厚度根据需要可灵活控制的特殊材料表面改性层，无疑是在保持钛合金固有性能优点的条件下，有效解决钛合金摩擦系数高、摩擦系数不稳定、室温耐磨性及高温耐磨性低、高温抗氧化性能低等固有性能缺点最有效的方法之一，针对航空发动机等国防装备关键钛合金零部件的工作条件，北京航空航天大学“激光材料加工制造

10、技术实验室”，近年来一直从事钛合金激光表面合金化及激光熔覆技术表面改性技术的研究及应用，成功研究出同时具有低摩擦系数、优异耐磨性能、优异抗氧化性能及优异阻燃性能、同钛合金基体之间完全冶金结合的 Ti5Si3/Ti、Ti5Si3-TiC/Ti、Ti5Si3/NiTi2、Ti5Si3/Ti2Ni3Si、Ti2Ni3Si、Cr3Ni5Si2/Cr13Ni5Si2等金属硅化物增强金属间化合物多功能高温耐磨耐蚀涂层新材料，使钛合金耐磨性大幅提高 100790 倍之多，为钛合金在国防装备中作为摩擦磨损关键机械运动副零部件奠定了涂层材料与表面工程技术基础。3 激光熔覆过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层技术

11、 航空、航天、兵器、船舶等先进国防装备中，大量关键高温运动副零部件，在高温氧化、腐蚀、热腐蚀等恶劣环境条件下承受强烈摩擦磨损作用，急需同时具有优异高温耐磨性能、优异高温抗氧 3 化与抗热腐蚀性能、低摩擦系数、优良高温自润滑性能、优异高温摩擦学相容性及优异高温长期组织稳定性等性能配合的高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层(组织完全致密、涂层与基材间完全冶金结合)制备新技术。目前国内外广泛研究和应用的 NiCr-Cr3C2、Co-WC、NiCr-Cr2O3、CoCr-Cr2O3、NiCr-Al2O3等热喷涂涂层，由于其材料脆性较大、对配偶摩擦副的磨损严重、摩擦学相容性差、另外，上述涂层都只能采

12、用热喷涂等方法制备，由于涂层组织中不可避免地存在一定量的疏松、微裂纹、孔隙等缺陷、特别是涂层与零件基材之间实际上是机械结合，在接触机械应力及热应力联合作用下容易发生界面脱落现象，难以满足推比航空发动机等先进国防装备中大量关键高温耐磨运动副零部件的性能要求。北京航空航天大学“激光材料加工制造技术实验室”，在国际上提出了“过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层新材料及其优质涂层激光熔覆制备技术”研究新领域，成功研究出了 Cr3Si/Cr2Ni3Si、Cr5Si3/CrSi、Mo2Ni3Si/NiSi、Ti2Ni3Si/NiTi、Cr13Ni5Si2、Ti5Si3/NiTi2、Ni2Si/NiSi 等

13、同时具有优异耐磨、耐蚀、耐热腐蚀、耐氧化、低摩擦、不粘金属、“反常磨损载荷特性”(磨损量几乎不随磨损载荷的的增加而变化)、“反常磨损速度特性”(磨损量随磨损滑动速度的增加而减小)、“反常磨损温度特性”(磨损量随磨损试验温度的增加而减小)等特殊性质的多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料新体系及其优质涂层激光熔覆制备新技术，在航空发动机、石油、化工、船舶等机械装备耐磨运动副中具有广阔的应用前景。参 考 文 献 1 J.C.Williams,E.A.Starke.Progress in structural materials for aerospace systems.Acta Mat

14、erialia,2003,51：5 775 5 790 2 王华明，张凌云，李安，等.金属材料快速凝固激光加工与成形.北京航空航天大学学报，2004，30(10)：962967 3 王华明，张凌云，李安，等.先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展.世界科技研究与发展，2004，26(30)：27 4 H.M.Wang,F.Cao,L.X.Cai,et al.Microstructure and tribological properties of laser clad Ti2Ni3Si/NiTi intermetallic coatings.Acta Materialia,2003,51

15、(20)：6 3196 327 5 H.B.Tang,Y.L.Fang,H.M.Wang.Microstructure and dry sliding wear resistance of a Cr13Ni5Si2 ternary metal silicide alloy.Acta Materialia,2004,52(7)：1 7731 783 6 X.D.Lu,H.M.Wang.High-temperature phase stability and tribological properties of laser clad Mo2Ni3Si/NiSi metal silicide coa

16、tings.Acta Materialia,2004,52(18)：5 4195 426 7 H.M.Wang,H.B.Tang,L.X.Cai,et al.Microstructure and wear properties of laser clad Ti2Ni3Si/Ni3Ti multiphase intermetallic coatings.Applied Physics A,2005,80(8)：1 6771 683 8 Y.Wang,H.M.Wang.Wear resistance of laser clad Ti2Ni3Si reinforced intermetallic c

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18、ehaviors of laser-clad Cr13Ni5Si2-based metal-silicide coatings on a titanium alloy.Surface and Coatings Technology,2005,192(2-3)：305310 11 L.X.Cai,H.M.Wang.Microstructure and dry sliding wear resistance of laser clad tungsten reinforced W5Si3/W2Ni3Si intermetallic coatings.Applied Surface Science,2

19、004,235：501506 12 H.M.Wang,G.Duan.Wear and corrosion behavior of laser clad cr3si reinforced composite coatings.Intermetallics,2003,11(8)：555562 13 H.M.Wang,D.Y.Luan,L.X.Cai.Microstructure and sliding wear behaviors of tungsten reinforced W-Ni-Si metal silicides in-situ composites.Metallurgical and

20、Materials Transactions A,2003,34A(9)：2 0052 015 14 H.M.Wang,C.M.Wang,L.X.Cai.Wear and corrosion resistance of laser clad Ni2Si/NiSi nickel silicides composite coatings.Surface and Coatings Technology,2003,168(2-3)：202208 4 15 X.D.Lu,H.M.Wang.Dry sliding wear behavior of laser clad Mo2Ni3Si/NiSi metal silicide composite coatings.Thin Solid Films,2005,472(1-2)：297301 作者简介：王华明，男，1962 年出生，教授。主要研究方向为激光加工技术。通信地址：北京市海淀区学院路 37 号北京航空航天大学材料科学与工程学院，邮编：100083，电话：010-82317102。E-mail：