鈦合金薄壁件激光熔覆銑削再制造后的平面度變化

余 芬，張 金，王 寧，王 濤

(中國(guó)民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300)

0 引 言

鈦合金由于密度小、耐腐蝕性能和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1]。航空業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)飛行器的設(shè)計(jì)和制造性能提出了更高的要求[2]，具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)的鈦合金薄壁件受到越來(lái)越多的關(guān)注[3]。典型的復(fù)雜薄壁件——航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片長(zhǎng)期工作在高溫、高壓和高負(fù)荷的工作環(huán)境中，葉片損傷在所難免。新葉片的更換將會(huì)極大地增加飛行器的日常維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本[4]，因此對(duì)損傷的葉片進(jìn)行再制造，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義[5]。研究表明，采用變換激光熔覆主要工藝參數(shù)的方式對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)損壞葉片進(jìn)行修復(fù)，然后通過(guò)數(shù)控銑削進(jìn)行減材復(fù)形加工，可以取得良好的應(yīng)用效果，修復(fù)葉片的尺寸和粗糙度均滿(mǎn)足技術(shù)文件要求[6]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)銑削加工工藝和激光熔覆層的制備工藝進(jìn)行了諸多研究，其中激光熔覆再制造技術(shù)常用于軸類(lèi)等回轉(zhuǎn)體零件。DENKENA等[7]對(duì)電子束焊接TC4合金銑削加工工藝參數(shù)進(jìn)行研究，得到了銑削加工過(guò)程中控制殘余應(yīng)力的方法。NESPOR等[8]對(duì)電子束焊接TC4合金銑削工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到了對(duì)表面粗糙度影響較小的銑削工藝參數(shù)。韓玉勇等[9]采用改變掃描速度的方式對(duì)車(chē)床主軸進(jìn)行激光熔覆再制造，并使用磨床對(duì)熔覆層進(jìn)行加工，獲得的再制造主軸完全符合設(shè)計(jì)尺寸要求。張富禎等[10]對(duì)45鋼薄壁件的激光熔覆修復(fù)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)激光功率600 W，掃描速度12 mm·s-1，送粉速率1.2 g·min-1工藝下熔覆層硬度最高，基體表面可得到顯著強(qiáng)化。王濤等[11]采用激光掃描軌跡和加工路徑平行及垂直兩種加工方式對(duì)TC4合金進(jìn)行熔覆，研究了端銑后熔覆層的表面三維形貌，發(fā)現(xiàn)加工軌跡與激光掃描軌跡垂直時(shí)合金表面形貌較好。平面度為擬合區(qū)上下平行平面的最小包容寬度，用來(lái)控制被測(cè)實(shí)際平面的形狀誤差[12]。不同激光熔覆軌跡的熱輸入和熔覆層的銑削力都會(huì)使基體薄壁件的平面度發(fā)生變化，然而目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)熔覆層進(jìn)行銑削加工的研究相對(duì)較少。為此，作者對(duì)TC4合金薄壁件進(jìn)行激光熔覆銑削再制造，研究了熔覆軌跡以及后續(xù)銑削加工對(duì)基體薄壁件平面度的影響，以便為薄壁件再制造過(guò)程中平面度的控制和工藝選取提供一定參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

以能夠表征葉片基本特征的TC4合金懸臂薄壁零件作為基體，通過(guò)DMU85 monoBlock型五軸數(shù)控加工中心及傳統(tǒng)銑削加工方法制備該零件，其頂面模擬葉片的葉尖部位，基座部分模擬葉片的葉榫部位?；w薄壁件的形狀、尺寸及裝夾方式如圖1所示。

圖1 TC4合金基體薄壁件的形狀、尺寸及裝夾方式示意Fig.1 Schematic of shape,size (a) and clamping method (b) of TC4 alloy substrate thin-walled part

采用HFB-C50型手持式激光清洗器將基體薄壁件的頂面清洗至呈現(xiàn)金屬光澤，用酒精擦拭并吹干，以消除氧化層對(duì)后續(xù)試驗(yàn)的影響。激光熔覆用TC4粉末由寶雞市海寶特種金屬材料有限責(zé)任公司提供，粒徑在75～150 μm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 TC4合金粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of TC4 alloy powder (mass) %

通過(guò)功率為1 kW的Raycus-RFL-C1000型激光器，沿與x方向成0°，45°和90°的3個(gè)典型熔覆軌跡對(duì)薄壁件頂面進(jìn)行激光熔覆，光斑直徑約為1.8 mm，激光功率為800 W，掃描速度為8 mm·s-1，送粉盤(pán)轉(zhuǎn)速為0.8 r·min-1，搭接率為50%，熔覆方式為YASKAWA-MH24型機(jī)械臂帶動(dòng)的單道往復(fù)運(yùn)動(dòng)，激光熔覆裝置如圖2所示。為防止熔覆層氧化，熔覆試驗(yàn)均在充滿(mǎn)氬氣的保護(hù)箱中進(jìn)行(箱內(nèi)氧氣含量小于57.1×10-6kg·m-3)。為使熔覆軌跡更為精確，需在保護(hù)箱內(nèi)安裝用于定向的虎鉗，用激光頭、水平儀和百分表對(duì)虎鉗進(jìn)行校正并加以固定，然后將基體薄壁件固定在虎鉗上進(jìn)行激光熔覆。圖3(a)為激光熔覆試驗(yàn)后3個(gè)典型熔覆軌跡的形貌，其中，a為0°熔覆軌跡，b為45°熔覆軌跡，c為90°熔覆軌跡。擇優(yōu)選擇熔覆層幾何尺寸相近的3個(gè)薄壁件進(jìn)行研究，以保證后續(xù)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，熔覆層幾何尺寸為25 mm×7 mm×3.5 mm，如圖3(b)所示，d為基體薄壁件。

圖2 TC4合金薄壁件激光熔覆裝置示意Fig.2 Schematic of laser cladding device of TC4 alloy thin-walled part

圖3 激光熔覆軌跡和熔覆完成后薄壁件的宏觀(guān)形貌Fig.3 Macromorphology of laser cladding trajectories (a) and thin-walled parts after laser cladding (b)

1.2 試驗(yàn)方法

考慮到熔覆層y向?qū)挾葹? mm，而探針直徑為3 mm，為使紅外線(xiàn)測(cè)量傳感器能探測(cè)到薄壁件表面，采用A軸(五軸加工中心繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng))轉(zhuǎn)動(dòng)90°實(shí)現(xiàn)熔覆薄壁件的接觸式測(cè)量，見(jiàn)圖4，重復(fù)定位精度為±0.001 mm。通過(guò)DMU85 monoBlock五軸數(shù)控加工中心機(jī)床自帶的TS649型紅外線(xiàn)測(cè)量傳感器(精度為0.001 mm)測(cè)量不同熔覆軌跡下薄壁件上表面和下表面z方向的數(shù)值，測(cè)量方式為接觸式測(cè)量。為減小二次裝夾誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，銑削加工制備基體薄壁件以及測(cè)量熔覆后薄壁件的z值時(shí)均采用同一測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)(圖1中x，y，z軸的交點(diǎn))?？紤]到基體薄壁件制備時(shí)側(cè)銑切入和切出過(guò)程會(huì)有少量毛刺，因此x方向測(cè)試位置取距離兩端長(zhǎng)度3.5 mm以上；由于熔覆層在基體薄壁件頂面，重力作用會(huì)導(dǎo)致沒(méi)有固定邊界束縛的熔池向兩邊流淌，為使激光熔覆和銑削加工后基體薄壁件上的相同測(cè)量位置形成對(duì)照，同時(shí)結(jié)合實(shí)際熔覆效果，設(shè)置y方向測(cè)試初始位置距頂面2 mm以上；基體薄壁件為懸臂薄壁零件，y方向的變形大于x方向的，因此在y方向每隔2 mm設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，x方向每隔3 mm設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共計(jì)70個(gè)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 熔覆薄壁件在機(jī)測(cè)量和測(cè)試點(diǎn)位置示意Fig.4 Measurement method and positions of thin-walled part on machine

通過(guò)最小二乘法對(duì)測(cè)量得到的z方向數(shù)據(jù)點(diǎn)(xi，yi，zi)(i=1，2，…，n)進(jìn)行平面度擬合[13]，利用MATLAB中的優(yōu)化工具箱得到0°，45°和90° 3個(gè)熔覆軌跡對(duì)應(yīng)的平面度擬合數(shù)據(jù)。

激光熔覆TC4合金層比基體薄壁件的硬度更高。在再制造銑削加工過(guò)程中，銑削工件材料硬度的提高將會(huì)直接導(dǎo)致銑削工件平面度的增大。前期試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在激光參數(shù)相同的條件下，熔覆軌跡的改變對(duì)熔覆層硬度影響很小。因此，選取熔覆軌跡角度為0°的薄壁件進(jìn)行硬度測(cè)試。通過(guò)線(xiàn)切割機(jī)切取硬度試樣(包括整個(gè)熔覆層、過(guò)渡區(qū)和基體)，經(jīng)鑲嵌、拋光等工序后，利用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)定拋光表面的硬度，加載載荷為200 N，保載時(shí)間為10 s。從熔覆層邊緣向基體每隔100 μm取點(diǎn)測(cè)試，直至硬度穩(wěn)定。

為滿(mǎn)足高硬度熔覆層的銑削加工需求，將數(shù)控加工中心A軸恢復(fù)原位后，采用YG硬質(zhì)合金銑刀(刃長(zhǎng)20 mm，直徑8 mm，螺旋角35°)對(duì)薄壁件熔覆層進(jìn)行銑削加工。銑削加工的基準(zhǔn)點(diǎn)仍采用圖1所示的基準(zhǔn)點(diǎn)。為保證熔覆層銑削深度一致，首先對(duì)熔覆層表面進(jìn)行端銑得到平整頂部表面，然后采取側(cè)銑方式，使用UG11.0平面銑命令，對(duì)0°，45°和90° 3個(gè)方向的熔覆層分別進(jìn)行銑削加工。銑削參數(shù)如表2所示，銑削加工方式見(jiàn)圖5。切削模式選擇往復(fù)，切削步距恒定為0.5 mm，以減少加工過(guò)程中的抬刀次數(shù)。按照上述方法測(cè)定銑削后基體薄壁件在z方向數(shù)值的變化。

表2 銑削參數(shù)Table 2 Milling process parameters

圖5 熔覆層銑削加工示意Fig.5 Schematic of cladding layer milling

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔覆軌跡對(duì)基體薄壁件平面度的影響

由圖6可以看出，0°，45°和90°激光熔覆軌跡下基體薄壁件的平面度均高于熔覆前的平面度，這是由激光熔覆過(guò)程中熱輸入造成基體薄壁件變形所致。此外，由于基體薄壁件制備時(shí)首先加工下表面，后加工上表面，后者幾何尺寸與基座保持一致，薄壁結(jié)構(gòu)尚未形成，因此激光熔覆前后基體薄壁件上表面的平面度均明顯高于下表面的?？紤]到傳統(tǒng)銑削加工方法制備的基體薄壁件幾何尺寸存在一定差異，為減少制造誤差對(duì)后續(xù)激光熔覆和銑削加工的影響，對(duì)熔覆前后的平面度數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，得到0°，45°，90°熔覆前后上表面的平面度差值分別為0.012，0.014，0.025 mm，下表面的平面度差值分別為0.003，0.014，0.019 mm。可見(jiàn)0°，45°，90°熔覆后基體薄壁件平面度變化依次增大。這是由于換向次數(shù)的增加導(dǎo)致激光熔覆軌跡變長(zhǎng)，激光能量對(duì)基體的熱輸入增加，熱應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致基體變形增大。

圖6 不同軌跡熔覆前后薄壁件的平面度及其變化量Fig.6 Flatness and its variation of thin-walled parts before and after cladding with different trajectories

2.2 熔覆后薄壁件的硬度

由圖7可以看出，0°熔覆軌跡下，隨著距熔覆層頂端距離的增加，薄壁件硬度減小。與基體相比，熔覆層表面硬度提高了約20%，這與文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果相似?？梢?jiàn)，若采用銑削基體薄壁件的工藝參數(shù)對(duì)熔覆層進(jìn)行銑削加工，會(huì)使得熔覆層的銑削力增大[15]，進(jìn)而造成新生成平面整體平面度增大，導(dǎo)致熔覆層修復(fù)部位不能滿(mǎn)足零件互換性的使用要求。

圖7 0°熔覆軌跡下薄壁件硬度隨距熔覆層頂端距離的變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curve of hardness of thin-walled part vs distance from the top of cladding layer under 0° cladding trajectory

2.3 熔覆層銑削加工過(guò)程中的平面度變化

銑削加工后激光熔覆薄壁件的宏觀(guān)形貌如圖8所示，可以看出其損傷部位銑削修復(fù)后的高度達(dá)3 mm。結(jié)合圖3可知，熔覆軌跡為90°的熔覆層左側(cè)存在明顯缺陷，而熔覆軌跡為0°和45°的熔覆層左右兩側(cè)缺陷不明顯。

圖8 不同熔覆軌跡下薄壁件銑削加工后的宏觀(guān)形貌Fig.8 Macromorphology of thin-walled parts under different cladding trajectories after milling

由圖9可以看出：銑削加工使熔覆后基體薄壁件的平面度進(jìn)一步增大；90°熔覆薄壁件銑削加工后的平面度最大，45°熔覆的次之，0°熔覆的最小，這是因?yàn)槿鄹策^(guò)程換向次數(shù)的增加使得熔覆層軌跡之間的孔隙增多，沿同一銑削方向?qū)θ鄹曹壽E為0°，45°和90°的熔覆層進(jìn)行加工時(shí)，側(cè)銑銑削振動(dòng)增大，進(jìn)而導(dǎo)致熔覆層銑削后平面度擬合數(shù)據(jù)增大。結(jié)合上述分析結(jié)果，從實(shí)際生產(chǎn)角度考慮，采用0°熔覆軌跡對(duì)鈦合金薄壁件進(jìn)行修復(fù)時(shí)平面度最好，銑削加工效果也更好。

圖9 不同熔覆軌跡下薄壁件銑削前后的平面度Fig.9 Flatness of thin-walled parts under different cladding trajectories before and after milling

3 結(jié) 論

(1) 采用0°，45°和90°熔覆軌跡進(jìn)行激光熔覆后，TC4合金薄壁件的平面度較熔覆前的均有所提高，且熔覆軌跡角度越大，基體薄壁件熔覆前后的平面度差值越大；隨著距熔覆層頂端距離的增加，薄壁件硬度減小，TC4合金激光熔覆層的硬度較TC4基體的提高約20%。

(2) 銑削加工后，激光熔覆薄壁件的平面度進(jìn)一步增大；90°，45°，0°熔覆軌跡薄壁件銑削加工后的平面度依次減小，0°熔覆軌跡對(duì)損傷鈦合金薄壁件的修復(fù)效果較好。