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激光技术推进零件的添加制造与修复

        激光沉积技术(LDT)是一个总体名称,包括了许多不同的加工方式:直接的金属沉积技术(DMD),激光金属沉积技术(LMP),激光添加制造技术(LAM),激光工程化净成形技术(LENS),以及其他以聚焦激光光束作为金属沉积热源的加工方式。LDT技术与其它以激光为热源的标准焊接/接合加工技术是不同的,因为LDT技术通常是在已有的工件上添加新的金属层。

  LDT技术可以被认为是一项突破性的材料添加技术,它可以被用于许多不同的修整过程和无模制造。破坏过程指的是该技术的工作能力,它使我们可以用超越常规的方式来思考该技术的用途。LDT技术能够有效的进行高质量、金相结合的金属沉积,该操作过程可以被用于:1) 激光修复技术(LRT),即修复磨损的原件;2) 激光自由曲面制造技术(LFMT),它能够直接从CAD文件进行近终形自由曲面的制造过程,并重复该过程;3) 激光熔覆技术(LCT),即在工件镀上材料层的过程。灵活性是该技术的主要特性。 典型的沉积过程 通常,沉积加工过程在氩气环境中进行,其中的氧气含量少于10 ppm。一些熔覆过程可能使用了类似于标准的金属惰性气体(MIG)的保护气体。所有的LDT沉积过程都是金相结合过程,热影响区(HAZ)和混合区的厚度约为0.005到0.025英寸。光斑尺寸为1mm时,典型的沉积参数80%。在很广的范围内,该技术都能稳定的达到较小的热输入,几乎不存在材料变形的情形。利用该技术,人们已经成功的在不锈钢、工具钢、镍合金、镍钴合金、钛合金和许多硬面或者镀层金属材料上进行了沉积操作。这些沉积过程使用了铝材料,但是,通常铝和铜合金材料很难被沉积,因为它们具有的反光特性。LDT沉积技术具有高质量、用途广、使用灵活等特点。正是由于其技术先进性,目前许多领域都考虑引进该技术。这些领域包括了医疗、航空和航天工业、国防部门和许多行业,如电力、石油/天然气、化学药品加工,以及采矿业。采用了LDT技术,人们大大节约了成本、时间和用料,所以该技术值得进一步考量。典型的应用 利用低瓦数的LRT技术对元件进行修整,被应用于许多航天航空和国防工业,以及各种商业项目。在Ti-6Al-4V轴承和Inconel 718合金元件的修理中,技术人员将典型的低功率

  (LCT熔覆技术 图2的上部给出了一个利用传统的喷涂加工修整得到的高速4340传动轴(8800rpm)。注意在修整后的传动轴渐缩区域有明显剥落的痕迹。因为没有其他的选择,用户只能容忍该问题的反复出现。由于LCT加工过程的引入,在过去的三年中好几个传动轴都成功的应用420不锈钢而得到修复。该传动轴采用LCT技术后的修理费用比新品成本低50%。 传动轴上的轴承、封孔,以及连杆表面等部件通常都无法利用传统焊接技术进行修复;现在,由于使用了LCT技术,它们都有望被重建和修复。4340、4310和沉积硬化不锈钢等材料也都能成功的进行镀层操作。高速(达到12800 rpm)、高功率(达到3500马力)、高精度的轴承(误差在0.0005英寸),以及大型传动轴(达到25000磅)都可得以修复。

  LCT技术也被用于新型复合元件的加工,在这些加工中,硬质的基本结构材料被制成元件,随后,元件表面被镀上特定材料。图3给出了一个油田接头,利用LCT技术,技术人员在零件表面镀了碳化钨。由于LCT加工过程的特点和灵活性,许多应用都成为了可能。 LFMT项目LFMT可以被用来沉积近终形金属元件的“自由曲面”,所得到的元件几乎98%稠密,没有空隙,而且其机械性能类似于锻造材料,加工过程直接从CAD文件读取元件图。所谓“自由曲面”,它可以是薄板(最薄可达0.060英寸)或者是任何厚度的实心体。首先,技术人员需要拥有目标元件的CAD文件。随后,应用系统软件对该文件进行修改和处理,并且产生一个激光的工作路径。同时,目标金属板被用来作为基底材料以开始建造过程。目标金属板可以是最终零件的一部分,或者它可以在重建自由曲面完成之后再去除掉。根据具体的应用,完工后的自由曲面元件可能需要热处理和坐标测量机(CMM)扫描。目前,自由曲面元件重量达100磅。该技术的其中一项应用是制造纵横比很大的元件,比如飞机舱壁和翼梁的结构元件。图4给出了各种不同自由曲面的薄壁零件,包括各种特别的管子、具有特殊形状的中空零件,以及空心杆发动机阀等。该技术具有非常广阔的应用潜力,这里仅给出几个例子。前景和小结 LDT技术是一项日渐成熟的突破性添加技术,它为元件的修整和熔覆带来新的可能,此前许多元件都被认为是无法修复的。LDT技术还具备特别的性能,它可以简便的修改CAD文件来进行自由曲面的制造过程,而无需再制造的硬加工过程。这种自由曲面加工能力可能给现有的加工制造过程带来革命性的改变,因为它可以采用简单的铸件和锻造的过程,随后结合LFMT加工给零件添加上特殊的结构。 商业公司、航空航天公司以及国防工业客户对该技术的巨大潜力都有极大的兴趣。目前,他们正对几个具有相当应用前景的有趣项目进行开发。不过,因为许多项目都有专利保护,所以结果尚无法公布。下一步就是训练工程师打破常规,充分利用该项技术的特点。随着人们应用该思路,LDT加工过程必将能够带来高质量、低成本的沉积操作。


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