CAIEC路演 | 西空智造：航空鋁合金激光復合冷噴涂修復關鍵設備與技術(shù)
2022-10-01
該技術(shù)利用高速離子固態(tài)沉積的原理對鋁合金的裂紋進行修復，同時解決了焊接和熔覆的問題。
西安空天機電智能制造有限公司
西安空天機電智能制造有限公司，于2020年4月注冊成立，注冊資金6000萬元。西空智造是專門針對空天動力等高端裝備部附件從事智能增材復合制造（“i-3D”）的高新技術(shù)企業(yè)，公司的主體業(yè)務為：空天動力等高端裝備部附件的“i-3D”制造/再制造加工、特種設備（系統(tǒng)）和特種材料。公司創(chuàng)新發(fā)展3D打印升級版技術(shù)—“i-3D”（i是智能intelligence和一體integration），其內(nèi)涵是3D打印“四化”：智能化、復合化、“一體”化和“燒結(jié)”化。公司的使命是“i-3D創(chuàng)新，讓制造和維保更高效”。公司愿景是“成為有國際影響力的智能增材復合制造技術(shù)解決方案提供商，成為中國自主創(chuàng)新示范類企業(yè)”。
公司已經(jīng)通過國家高新技術(shù)企業(yè)，是陜西省光子產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體核心企業(yè)。承擔或參與多項國家、省級科研項目，申請知識產(chǎn)權(quán)45項；自主創(chuàng)新研發(fā)的激光增材過程監(jiān)控系統(tǒng)及移動式增材制造方艙先后榮獲2020年“第五屆全國航空航天大賽優(yōu)勝獎”、“2021年數(shù)字西安建設優(yōu)秀成果和最佳實踐案例”、“陜西省重點新產(chǎn)品”稱號等。
航空鋁合金激光復合冷噴涂修復關鍵設備與技術(shù)
本項目面向飛機鋁合金腐蝕、磨損和疲勞裂紋結(jié)構(gòu)件冷噴涂修復后脆性大、結(jié)合力低、疲勞性能不達標的重大需求，開展航空鋁合金結(jié)構(gòu)件激光復合冷噴涂高性能修復關鍵設備與應用技術(shù)的研發(fā)和驗證，創(chuàng)新提出在冷噴涂修復過程中采用低功率密度激光輔助加熱促進涂層與基體冶金結(jié)合，提升冷噴涂修復件結(jié)合力；冷噴涂修復后采用高功率激光沖擊調(diào)控冷噴涂修復層組織和應力狀態(tài)，提高疲勞性能的技術(shù)思路。通過兩次兩種不同類型激光復合，提升鋁合金冷噴涂修復件結(jié)合力與疲勞性能。項目研發(fā)了激光輔助加熱冷噴涂、千赫茲高重頻激光沖擊強化兩類裝置，提出了鋁合金激光輔助加熱冷噴涂實現(xiàn)高結(jié)合力修復工藝，制定了激光沖擊誘導動態(tài)析出和納米晶提高疲勞性能方法和工藝規(guī)程。
尊敬的各位評委，大家好！我叫李慶，是西安空天機電智能制造有限公司的營銷總監(jiān)，我代表我們的團隊空軍工程大學和西安建筑科技大學，向大家介紹路演的項目。我們的項目是“面向航空鋁合金結(jié)構(gòu)件高性能修復的激光復合冷噴涂技術(shù)”，今天我主要從三個部分進行介紹。西安空天機電智能制造有限公司是一家從事空天動力等高端裝備部附件智能制造的高新技術(shù)企業(yè)，前身是2017年西安交通大學和航天基地共同設立的西安空天能源動力智能制造研究院的增材制造事業(yè)部。業(yè)務方向主要有以下三個：第一個方向是“i-3D”智能復合制造的設備研制，是在原來3D打印的基礎上提出了智能與復合，鑒于此，我們研制了3D打印的在線監(jiān)控系統(tǒng)和3D打印方艙，其中包括激光復合冷噴涂的設備制備；第二個方向是高端裝備部附件的制造與維保，主要圍繞航空發(fā)動機的葉片和燃燒室等高溫部件的制備；第三個方向是新型高溫合金材料的制備，主要有機加金屬屑制粉、耐高溫合金，以及傳動齒輪鋼的制備。企業(yè)成立于2020年的4月份，截至目前，兩年多的時間里，我們參與了上一次的航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，并取得了優(yōu)勝獎；同時我們也獲得了陜西省光子產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的核心成員單位；承擔了陜西省的重大專項；參與了空軍東、南、西、北四個戰(zhàn)區(qū)的外場演練活動；榮獲了“高新技術(shù)企業(yè)”以及“陜西省科技型中小企業(yè)”的稱號。值得一提的是，上次我們參賽的3D打印在線監(jiān)控系統(tǒng)，今年的訂單金額已達3000萬元。企業(yè)的發(fā)展離不開技術(shù)的支持，我們的技術(shù)團隊有航空發(fā)動機專家和動力學專家，也有國家激光方面和材料方面的人才。同時還有強大的院士團隊的支持，他們分別是李應紅院士、張衛(wèi)紅院士、陳光院士、陳雪峰院長、華林院長，以及廖文和書記。除此之外，還有4個國家級的重點實驗室作為技術(shù)支持。在這兩年多的時間里，我們已經(jīng)獲得了20余項的資質(zhì)和榮譽，申請和授權(quán)的專利有45項。截至目前，我們的重要客戶主要圍繞著航空、航天、兵器、科研院所和設備廠商。本次參賽的項目是我們的一項核心技術(shù)，這個技術(shù)的提出背景是飛機起落架鋁合金承力框發(fā)生了批次的疲勞裂紋，被空軍列為拉條掛賬技術(shù)質(zhì)量問題。同時由于該部件的更換比較困難，因此高性能的修復需求非常迫切，而航空鋁合金的腐蝕磨損在歐美發(fā)達國家中也是一個突出的問題。目前修復鋁合金的技術(shù)主要采用冷噴涂技術(shù)，該技術(shù)利用高速離子固態(tài)沉積的原理對鋁合金的裂紋進行修復，這個過程還解決了焊接和熔覆的問題。目前我國空軍已將該技術(shù)批量化地應用于飛機非承力構(gòu)件的修復，美軍也已經(jīng)大量地采用冷噴涂的技術(shù)進行修復。然而，冷噴涂技術(shù)在修復過程中存在一個比較大的技術(shù)難題，就是修復后的疲勞性能不達標，無法滿足服役要求。我們可以看到某型飛機的承力件修復后出現(xiàn)的裂紋面積比較大，主要原因是原來的冷噴涂技術(shù)沒有冶金結(jié)合的過程，會導致裂紋修復件脆性大、結(jié)合力不強，疲勞性能不達標等問題。為了解決這樣的問題，我們提出了航空鋁合金結(jié)構(gòu)件激光復合冷噴涂高性能修復的關鍵技術(shù)。這項技術(shù)采用了兩路激光，一個是冷噴涂修復過程中，低功率的密度激光，輔助冷噴涂提高它的結(jié)合力；另一個是修復后采用高功率密度的冷激光強化技術(shù)，以此提高它的疲勞強度。于是，我們從2018年開始，在國家和軍隊的相關支持下，結(jié)合設備、機理、工藝、評價“四位一體”，開展了激光復合冷噴涂修復的關鍵設備與應用技術(shù)研究。在設備方面，我們提出了新的技術(shù)，將原來無冶金狀態(tài)，達到現(xiàn)在半冶金狀態(tài)的結(jié)合。在機理與工藝方面，建立了預熱溫度-送粉速度-氣體壓力鋁合金冷噴涂粉末沉積模型，提出了激光沖擊表面納米化理論，優(yōu)選工藝，使孔隙率由原來的2%降低到目前的0.5%。通過激光輔助加熱冷噴涂修復后的結(jié)合率從原來的42MPa提升到現(xiàn)在的83MPa，整整提高了98%。修復后的疲勞性能也從原來的54MPa，到目前的143MPa，提高了166%。同時，我們借助這個技術(shù)，申請了發(fā)明專利4項，軟著1項，還有鋁合金典型疲勞模擬試件80件，修復強化的設備零部件有50件。這項技術(shù)已經(jīng)應用于起落架承力框的修復中，目前正在進行考核驗證。以某機型的燃油泵體、拉桿支架，以及其他的部件為例，我們單件的修復價和更換費用在0.3~2萬元。據(jù)此預估，每年的產(chǎn)值大致有1000萬。當然這個技術(shù)還可以推廣到其他圍繞鎂合金部件修復的領域。美軍借助這個技術(shù)，每年的修復費用可以節(jié)約2600萬美元，預計每年我們國內(nèi)的修復市場應該有兩億元。目前我們已經(jīng)合作的客戶有中國人民解放軍的5720廠。盈利模式主要是以設備和服務為主，按照之前的預計，每年的設備和服務體量應該有2~3億元，相信在我們技術(shù)的不斷創(chuàng)新下，市場前景已然是非常廣闊。
疲勞強度是對應于多少循環(huán)數(shù)？
經(jīng)過提高以后的疲勞強度和沒有疲勞破壞、疲勞損傷的強度相比，是差不多還是比它還低？能不能恢復到原來的值？
本文根據(jù)嘉賓在【第六屆中國航空創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國總決賽】上的發(fā)言整理、刪減。(查看更多完整視頻請掃描二維碼)
