南健 孫兵兵 張學(xué)軍 孫濤/ 國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠 北京航空材料研究院

0 引言

半軸安裝于飛機(jī)主起落架上，通過拉桿連接機(jī)輪和起落架活塞桿。零件材料為30CrMnSiNi2A，熱處理后零件強(qiáng)度σb=1665±100MPa，沖擊性能ak≥58.8J/cm2。30CrMnSiNi2A 具 有 較高的強(qiáng)度、較好的塑性和韌性、良好的抗疲勞性能和斷裂韌性、較低的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)起落架等高強(qiáng)度連接件和軸類零件等重要受力結(jié)構(gòu)部件。

飛機(jī)服役到達(dá)一個(gè)翻修周期后，零件修理中經(jīng)無(wú)損探傷發(fā)現(xiàn)，止推螺栓安裝槽過渡角附近區(qū)域存在微裂紋，見圖1。打磨后發(fā)現(xiàn)，裂紋深度超過工藝允許的最大深度0.5mm，按現(xiàn)行工藝要求，零件必須報(bào)廢。經(jīng)初步分析，產(chǎn)生裂紋的原因是原設(shè)計(jì)圖樣中安裝槽部位的過渡圓角較小，存在著一定的應(yīng)力集中，因此在頻繁的起落過程中易萌生微裂紋。

作為起落架上的關(guān)鍵零件，半軸在修理過程中必須保證原套裝配，因此一旦零件報(bào)廢必須申領(lǐng)起落架成品件，且采購(gòu)難度較大，制約了修理周期。因此，決定探究對(duì)裂紋部位打磨，再以激光熔覆技術(shù)對(duì)打磨部位進(jìn)行修復(fù)，最后通過噴丸強(qiáng)化形成表面壓應(yīng)力層[1]恢復(fù)其外形，并改善零件的表面應(yīng)力狀態(tài)的修復(fù)方法的可行性。

1 維修方法和材料

1.1 焊接方法的選擇

對(duì)修復(fù)后的技術(shù)指標(biāo)、不同焊接方法的特點(diǎn)、尺寸超差量、零部件修復(fù)部位等方面進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為半軸損傷表面的尺寸與標(biāo)準(zhǔn)尺寸差值相對(duì)較?。ā?.0mm），是工件表面的淺表層尺寸修復(fù)，同時(shí)鑒于零件為起落架上的關(guān)鍵件，對(duì)修復(fù)層熱影響區(qū)的深度、修復(fù)層的力學(xué)性能、工件的變形有著嚴(yán)格的要求，故根據(jù)各類熔焊方法的特點(diǎn)，確定采用能實(shí)現(xiàn)修復(fù)層與基體的冶金結(jié)合（保證修復(fù)區(qū)域的力學(xué)性能）、熱輸入量?。p少熱影響區(qū)的深度）、尺寸增量?。p少加工余量和工作量）的激光熔覆方式對(duì)損傷的工件進(jìn)行修復(fù)。

1.2 工藝材料分析

確定填充材料的依據(jù)主要是從修復(fù)后的技術(shù)指標(biāo)、修復(fù)位置的原始性能與功能、相關(guān)焊接或修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)、填充材料所具備的性能和功能等方面進(jìn)行衡量。此外，考慮到零件的使用環(huán)境，修復(fù)區(qū)域與基體的材料，性能（如抗拉強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)等）匹配性[2]，采用了熱膨脹系數(shù)相近的超高強(qiáng)度鋼金屬粉末作為激光熔覆修復(fù)材料。

2 維修可行性

激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)成熟的焊接工藝，尺寸精度高，熱影響區(qū)小，工件變形量非常小（可以忽略不計(jì)），焊接部位為冶金結(jié)合，組織均勻、力學(xué)性能穩(wěn)定[3]。目前，激光熔覆技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)件的制造和修復(fù)。通過對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)的解決和試驗(yàn)驗(yàn)證，利用此項(xiàng)技術(shù)對(duì)飛機(jī)零部件進(jìn)行修復(fù)也是可靠 的。

在30CrMnSiNi2A 試件基板上開槽模擬缺陷，坡口90°，采用激光熔覆工藝填充基板開槽，隨后對(duì)熔覆接頭進(jìn)行230℃×2h 去應(yīng)力退火處理。對(duì)接頭組織進(jìn)行分析，并測(cè)試接頭界面顯微硬度，測(cè)試接頭室溫拉伸性能和室溫沖擊性能，評(píng)價(jià)熔覆材料的耐磨性能，同時(shí)進(jìn)行接頭噴丸前后表面應(yīng)力測(cè)試比較。試驗(yàn)分析情況當(dāng)然如下。

2.1 金相組織分析

采用激光熔覆工藝對(duì)30CrMnSiNi2A 鋼試板進(jìn)行熔覆試驗(yàn)，接頭截面形貌如圖2 所示，可以看出主要由三層組成：熔覆層、熱影響區(qū)和母材。圖3 為各區(qū)域及其交界組織形貌。母材熔化平均深度僅0.08mm，說明采用激光熔覆工藝對(duì)母材的影響很小。

圖1 起落架半軸局部形貌和故障模式

圖2 激光熔覆截面形貌

圖3 各區(qū)域及其交界處組織形貌

2.2 顯微硬度分析

激光熔覆試樣截面硬度如圖4所示?？梢姡捎眉す馊鄹?0CrMnSiNi2A 鋼熱影響區(qū)出現(xiàn)了軟化現(xiàn)象，最低硬度37.4HRC，寬度約0.1 ～0.2mm，熱影響區(qū)寬約0.6mm。表1 為消除應(yīng)力退火處理前后熔覆層的硬度數(shù)據(jù)，可見退火處理后硬度無(wú)明顯變化。

2.3 力學(xué)性能分析

對(duì)激光熔覆試樣進(jìn)行了室溫拉伸和沖擊測(cè)試，數(shù)據(jù)見表2 和表3，可見焊縫完全為熔覆材料時(shí)強(qiáng)度為1378MPa，為母材的83.5%，帶有部分母材的接頭強(qiáng)度為1517MPa，達(dá)到了母材的92.0%，沖擊韌性超過了母材。

2.4 耐磨性能分析

對(duì)激光熔覆試樣進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)共準(zhǔn)備了4 個(gè)樣品，其中兩個(gè)為母材試樣，分別為基體-1、基體-2；另外兩個(gè)為激光熔覆層試樣，分別為熔覆層-1、熔覆層-2。試驗(yàn)設(shè)備為UMT-2微摩擦試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)采用往復(fù)式對(duì)偶方式，母材和熔覆層試樣作為下試樣，上試樣為直徑4mm 的SiN 球，在空氣中進(jìn)行干摩擦試驗(yàn)。

在UMT-2 試驗(yàn)機(jī)上得到的數(shù)據(jù)為摩擦系數(shù)曲線。將摩擦試驗(yàn)后的表面利用白光干涉儀進(jìn)行觀察，測(cè)得磨痕的深度及寬度。摩擦系數(shù)曲線見圖5，磨損量測(cè)試數(shù)據(jù)見表4 所示?？梢钥闯鲈谙嗤脑囼?yàn)條件下，激光熔覆層與30CrMnSiNi2A鋼具有一致的摩擦系數(shù)，30CrMnSiNi2A 鋼與熔覆層表面的磨痕深度與寬度基本相同，表明兩種材料耐磨性能相當(dāng)。

2.5 殘余應(yīng)力分析

圖4 激光熔覆試樣截面硬度曲線

表1 激光熔覆層洛氏硬度

表2 激光熔覆試樣室溫拉伸性能

表3 激光熔覆試樣室溫沖擊性能

在37.5mm×65mm×10mm 試片中心開10mm（寬）×65mm（長(zhǎng)）×5mm（深）的U 型槽模擬熔覆缺陷，采用激光填粉工藝進(jìn)行熔覆，焊后對(duì)2 個(gè)試片進(jìn)行230℃×2h 熱處理，然后對(duì)焊縫表面去除余高并進(jìn)行拋光處理，對(duì)1#試樣表面進(jìn)行噴丸處理，如圖6 所示。對(duì)2 個(gè)試片按圖7 所示的點(diǎn)進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，點(diǎn)1 至點(diǎn)6 每點(diǎn)間隔3mm，點(diǎn)1、點(diǎn)7和點(diǎn)8 間隔5mm。測(cè)試結(jié)果如圖8 所示?？梢钥闯觯嚇友a(bǔ)焊后，殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫與母材交界處，噴丸前垂直于焊縫方向的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而平行于焊縫方向的應(yīng)力均為拉應(yīng)力。經(jīng)噴丸處理后，焊縫及母材的表面應(yīng)力得到了極大改善，平行于焊縫的應(yīng)力均轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，且壓應(yīng)力大于垂直于焊縫方向的壓應(yīng)力。焊縫中心各點(diǎn)的應(yīng)力水平相當(dāng)。

圖5 母材與熔覆層摩擦系數(shù)曲線

表4 母材與熔覆層摩擦磨損量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 噴丸前后試樣照片

圖7 測(cè)試點(diǎn)位置

圖8 激光熔覆試樣的殘余應(yīng)力分布

3 修復(fù)方案和流程

根據(jù)選定的工藝方法，綜合給定的技術(shù)指標(biāo)，制定維修方案和流程如 下。

1）除油清洗：用棉布或紗布蘸丙酮擦洗清理油污、砂粒和探傷介質(zhì)等雜質(zhì)。

2）打磨：打磨裂紋區(qū)域，去除缺陷和氧化層，制U 型槽。修復(fù)裂紋深度不超過1mm。

3）探傷：磁粉探傷無(wú)裂紋，確保缺陷全部去除。

4）除油清洗：用棉布或紗布蘸丙酮擦洗清理油污、砂粒和探傷介質(zhì)等雜質(zhì)。

5）熔覆修復(fù)：對(duì)零件待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行尺寸計(jì)量，設(shè)計(jì)合理的熔覆層厚度，確定工藝參數(shù)，對(duì)故障零件打磨區(qū)域進(jìn)行激光熔覆修復(fù)，修復(fù)層至少保留0.2 ～0.5mm 的加工余量。

6）磨修：鉗工磨修，恢復(fù)修復(fù)后零件的表面平整度，表面粗糙度不劣于Ra1.6。

7）熱處理：去應(yīng)力退火（220℃～ 240℃，2 ～3h）。

8）探傷：熔覆區(qū)域熒光滲透探傷應(yīng)無(wú)裂紋。

9）探傷：熔覆區(qū)域X 射線探傷檢查裂紋、氣孔、夾雜、未熔合等缺陷，應(yīng)符合HB 5132-2014《超高強(qiáng)度鋼熔焊工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)》一級(jí)焊接接頭檢查標(biāo)準(zhǔn)。

10）噴丸強(qiáng)化：對(duì)熔覆部位進(jìn)行局部噴丸處理，以獲取壓應(yīng)力層。

11）拋光：修復(fù)區(qū)精修拋光，保證零件修復(fù)區(qū)表面粗糙度不劣于Ra1.6。

12）探傷：除熔覆區(qū)域外，其余部位磁粉探傷應(yīng)無(wú)裂紋。

13）檢驗(yàn)：成品檢驗(yàn)，對(duì)零件外觀進(jìn)行檢查，熔覆修復(fù)區(qū)圓滑飽滿、尺寸均勻，無(wú)明顯缺陷。

4 結(jié)論

采用激光熔覆方式修復(fù)半軸，其維修的熔覆層與基體達(dá)到了冶金結(jié)合，激光熔覆工藝對(duì)母材的影響很小，母材熔化平均深度僅0.08 mm，且熔覆接頭組織較為均勻，無(wú)氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷；維修后區(qū)域室溫的拉伸強(qiáng)度為1517MPa，達(dá)到了母材的92.0%，沖擊性能超過了母材，其中接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了1370 ～1500MPa，滿足了半軸的維修要求；激光熔覆層與30CrMnSiNi2A 鋼材料耐磨性能相當(dāng)；激光熔覆區(qū)通過噴丸強(qiáng)化處理后，焊縫及母材的表面應(yīng)力得到了極大改善。實(shí)際維修結(jié)果證實(shí)了采用激光熔覆和噴丸強(qiáng)化復(fù)合方式維修飛機(jī)起落架半軸表面的損傷故障是可行的。