CAIEC路演 | 西空智造：航空铝合金激光复合冷喷涂修复关键设备与技术
2022-10-01
该技术利用高速离子固态沉积的原理对铝合金的裂纹进行修复，同时解决了焊接和熔覆的问题。
西安空天机电智能制造有限公司
西安空天机电智能制造有限公司，于2020年4月注册成立，注册资金6000万元。西空智造是专门针对空天动力等高端装备部附件从事智能增材复合制造（“i-3D”）的高新技术企业，公司的主体业务为：空天动力等高端装备部附件的“i-3D”制造/再制造加工、特种设备（系统）和特种材料。公司创新发展3D打印升级版技术—“i-3D”（i是智能intelligence和一体integration），其内涵是3D打印“四化”：智能化、复合化、“一体”化和“烧结”化。公司的使命是“i-3D创新，让制造和维保更高效”。公司愿景是“成为有国际影响力的智能增材复合制造技术解决方案提供商，成为中国自主创新示范类企业”。
公司已经通过国家高新技术企业，是陕西省光子产业创新联合体核心企业。承担或参与多项国家、省级科研项目，申请知识产权45项；自主创新研发的激光增材过程监控系统及移动式增材制造方舱先后荣获2020年“第五届全国航空航天大赛优胜奖”、“2021年数字西安建设优秀成果和最佳实践案例”、“陕西省重点新产品”称号等。
航空铝合金激光复合冷喷涂修复关键设备与技术
本项目面向飞机铝合金腐蚀、磨损和疲劳裂纹结构件冷喷涂修复后脆性大、结合力低、疲劳性能不达标的重大需求，开展航空铝合金结构件激光复合冷喷涂高性能修复关键设备与应用技术的研发和验证，创新提出在冷喷涂修复过程中采用低功率密度激光辅助加热促进涂层与基体冶金结合，提升冷喷涂修复件结合力；冷喷涂修复后采用高功率激光冲击调控冷喷涂修复层组织和应力状态，提高疲劳性能的技术思路。通过两次两种不同类型激光复合，提升铝合金冷喷涂修复件结合力与疲劳性能。项目研发了激光辅助加热冷喷涂、千赫兹高重频激光冲击强化两类装置，提出了铝合金激光辅助加热冷喷涂实现高结合力修复工艺，制定了激光冲击诱导动态析出和纳米晶提高疲劳性能方法和工艺规程。
尊敬的各位评委，大家好！我叫李庆，是西安空天机电智能制造有限公司的营销总监，我代表我们的团队空军工程大学和西安建筑科技大学，向大家介绍路演的项目。我们的项目是“面向航空铝合金结构件高性能修复的激光复合冷喷涂技术”，今天我主要从三个部分进行介绍。西安空天机电智能制造有限公司是一家从事空天动力等高端装备部附件智能制造的高新技术企业，前身是2017年西安交通大学和航天基地共同设立的西安空天能源动力智能制造研究院的增材制造事业部。业务方向主要有以下三个：第一个方向是“i-3D”智能复合制造的设备研制，是在原来3D打印的基础上提出了智能与复合，鉴于此，我们研制了3D打印的在线监控系统和3D打印方舱，其中包括激光复合冷喷涂的设备制备；第二个方向是高端装备部附件的制造与维保，主要围绕航空发动机的叶片和燃烧室等高温部件的制备；第三个方向是新型高温合金材料的制备，主要有机加金属屑制粉、耐高温合金，以及传动齿轮钢的制备。企业成立于2020年的4月份，截至目前，两年多的时间里，我们参与了上一次的航空创新创业大赛，并取得了优胜奖；同时我们也获得了陕西省光子产业联盟的核心成员单位；承担了陕西省的重大专项；参与了空军东、南、西、北四个战区的外场演练活动；荣获了“高新技术企业”以及“陕西省科技型中小企业”的称号。值得一提的是，上次我们参赛的3D打印在线监控系统，今年的订单金额已达3000万元。企业的发展离不开技术的支持，我们的技术团队有航空发动机专家和动力学专家，也有国家激光方面和材料方面的人才。同时还有强大的院士团队的支持，他们分别是李应红院士、张卫红院士、陈光院士、陈雪峰院长、华林院长，以及廖文和书记。除此之外，还有4个国家级的重点实验室作为技术支持。在这两年多的时间里，我们已经获得了20余项的资质和荣誉，申请和授权的专利有45项。截至目前，我们的重要客户主要围绕着航空、航天、兵器、科研院所和设备厂商。本次参赛的项目是我们的一项核心技术，这个技术的提出背景是飞机起落架铝合金承力框发生了批次的疲劳裂纹，被空军列为拉条挂账技术质量问题。同时由于该部件的更换比较困难，因此高性能的修复需求非常迫切，而航空铝合金的腐蚀磨损在欧美发达国家中也是一个突出的问题。目前修复铝合金的技术主要采用冷喷涂技术，该技术利用高速离子固态沉积的原理对铝合金的裂纹进行修复，这个过程还解决了焊接和熔覆的问题。目前我国空军已将该技术批量化地应用于飞机非承力构件的修复，美军也已经大量地采用冷喷涂的技术进行修复。然而，冷喷涂技术在修复过程中存在一个比较大的技术难题，就是修复后的疲劳性能不达标，无法满足服役要求。我们可以看到某型飞机的承力件修复后出现的裂纹面积比较大，主要原因是原来的冷喷涂技术没有冶金结合的过程，会导致裂纹修复件脆性大、结合力不强，疲劳性能不达标等问题。为了解决这样的问题，我们提出了航空铝合金结构件激光复合冷喷涂高性能修复的关键技术。这项技术采用了两路激光，一个是冷喷涂修复过程中，低功率的密度激光，辅助冷喷涂提高它的结合力；另一个是修复后采用高功率密度的冷激光强化技术，以此提高它的疲劳强度。于是，我们从2018年开始，在国家和军队的相关支持下，结合设备、机理、工艺、评价“四位一体”，开展了激光复合冷喷涂修复的关键设备与应用技术研究。在设备方面，我们提出了新的技术，将原来无冶金状态，达到现在半冶金状态的结合。在机理与工艺方面，建立了预热温度-送粉速度-气体压力铝合金冷喷涂粉末沉积模型，提出了激光冲击表面纳米化理论，优选工艺，使孔隙率由原来的2%降低到目前的0.5%。通过激光辅助加热冷喷涂修复后的结合率从原来的42MPa提升到现在的83MPa，整整提高了98%。修复后的疲劳性能也从原来的54MPa，到目前的143MPa，提高了166%。同时，我们借助这个技术，申请了发明专利4项，软著1项，还有铝合金典型疲劳模拟试件80件，修复强化的设备零部件有50件。这项技术已经应用于起落架承力框的修复中，目前正在进行考核验证。以某机型的燃油泵体、拉杆支架，以及其他的部件为例，我们单件的修复价和更换费用在0.3~2万元。据此预估，每年的产值大致有1000万。当然这个技术还可以推广到其他围绕镁合金部件修复的领域。美军借助这个技术，每年的修复费用可以节约2600万美元，预计每年我们国内的修复市场应该有两亿元。目前我们已经合作的客户有中国人民解放军的5720厂。盈利模式主要是以设备和服务为主，按照之前的预计，每年的设备和服务体量应该有2~3亿元，相信在我们技术的不断创新下，市场前景已然是非常广阔。
经过提高以后的疲劳强度和没有疲劳破坏、疲劳损伤的强度相比，是差不多还是比它还低？能不能恢复到原来的值？
本文根据嘉宾在【第六届中国航空创新创业大赛全国总决赛】上的发言整理、删减。(查看更多完整视频请扫描二维码)
