การเคลือบโลหะด้วยเลเซอร์ Laser repair for high -value aero engine components เทคนิคการซ่อมแซมส่วนประกอบเครื่องยนต์อากาศยานที่มีมูลค่าสูง Laser metal deposition as a repair for high-value aero engine components
Andrés Gasser, Konrad Wissenbach, Ingomar Kelbassa and Gerhard Backes
ส่วนประกอบเครื่องยนต์ อากาศยานที่มีมูลค่าสูง เช่น ปลอกและใบพัดที่ไม่หมุน เช่นเดียวกับชิ้นส่วนที่หมุนได้ระดับ 1 เช่น ใบมีด ดิสก์ และ BLISK (ดิสก์รวมใบมีด) ที่ทำจาก ไททาเนียมและโลหะผสมนิกเกิล-เบส ประสบการณ์การสึกหรอจากเหตุการณ์ทางสถิติ ตัวอย่างเช่น ความเสียหายจากวัตถุแปลกปลอม (FOD) ภายใต้สภาวะการทำงาน จนถึงขณะนี้ ชิ้นส่วนที่มีการรวมกันสูงที่สึกหรอและเสียหายได้รับการซ่อมแซมโดยการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่ผลิตขึ้นใหม่ ในขณะที่ชิ้นส่วนเดี่ยวได้รับการซ่อมแซมโดยการเชื่อม TIG แบบเพิ่มสารเติมแต่ง ซึ่งเป็นกระบวนการที่มีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานาน
รูปที่ 2. เคส BR715 HPT (ซ้าย) โดย LMD ที่ซ่อมแซมรายละเอียดหน้าแปลน (ขวา)
..
Laser metal deposition (LMD) การเคลือบผิวโลหะด้วยเลเซอร์ (LMD) นำเสนอโอกาสใหม่ๆ ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนที่ “ไม่สามารถซ่อมแซมได้” และชิ้นส่วนที่ “ไม่สามารถซ่อมแซมได้ด้วยกระบวนการทั่วไป” เช่น ปลอกที่ไวต่อการบิดเบือนรูปร่าง การพัฒนาและการปรับปรุงเพิ่มเติมของ LMD ร่วมกับความก้าวหน้าทางวิศวกรรมระบบอย่างต่อเนื่อง เช่น หัวประมวลผลและหัวฉีดผงที่มีการจ่ายก๊าซป้องกันแบบบูรณาการ ทำให้สถาบัน Fraunhofer สำหรับเทคโนโลยีเลเซอร์ (ILT; Aachen ประเทศเยอรมนี) ร่วมมือกับ Rolls-Royce Deutschland และอากาศยานอื่นๆ เครื่องยนต์ OEM เพื่อดำเนินการซ่อมแซมในส่วนที่เคยเป็นชิ้นส่วนที่ไม่สามารถซ่อมแซมได้
จากการพัฒนากระบวนการสู่การรับรอง
Aero engine repair
ในฐานะ Workshop ซ่อม ที่ได้รับการรับรองจาก OEM สำหรับส่วนประกอบเครื่องยนต์อากาศยาน โดยทำงานร่วมกับโรลส์-รอยซ์อย่างใกล้ชิด Fraunhofer ILT ประสบความสำเร็จ ในการซ่อมส่วนประกอบ ที่ผสานรวมสูงที่ซับซ้อนด้วยกระบวนการ LMD ที่ไม่ต้องใช้ห้องแก๊สในกระบวนการผลิต สิ่งนี้ทำได้โดยคัดเลือกกระบวนการบางอย่างที่พัฒนาขึ้นที่ ILT และโดยการออกแบบหัวฉีด LMD พิเศษเพื่อรวม ระบบป้อนผงและก๊าซป้องกันที่เหมาะสมที่สุด
รูปที่ 3. ดรัมหน้า BR715 HPC (ขวา) โดย LMD ปรับแต่งรายละเอียดผนังร่อง (ซ้าย)
บนพื้นฐานของ ข้อกำหนดด้านโลหะวิทยา เครื่องกล และเรขาคณิต ขั้นตอนที่จำเป็น ทั้งหมดสำหรับกระบวนการซ่อมแซมใหม่ ที่มีคุณสมบัติตามที่กำหนดนั้น จะดำเนินการร่วมกับลูกค้า คุณสมบัติของกระบวนการครอบคลุมสามขั้นตอน ในขั้นตอนแรก การพัฒนากระบวนการขั้นพื้นฐานจะดำเนินการโดยการตรวจสอบเพื่อตรวจสอบว่า LMD สามารถผลิตชั้นและปริมาตรที่ปราศจาก ข้อบกพร่องในวัสดุ ที่กำลังดำเนินการได้โดยการพิจารณา คุณสมบัติทางกลแบบสถิตและไดนามิกของวัสดุ LMD (โดยลูกค้า) และโดย กำหนดรูปแบบกระบวนการ และพารามิเตอร์ที่เหมาะสม โดยพิจารณาจากเรขาคณิตจำลอง
ขั้นตอนที่สอง คือการตรวจสอบความถูกต้องของกระบวนการโดยใช้ส่วนประกอบของแท้ โดยการถ่ายโอนเค้าโครงกระบวนการและพารามิเตอร์ที่กำหนดก่อนหน้านี้ รวมถึงการอบชุบด้วยความร้อน การปรับเปลี่ยนตามความจำเป็น โดยการตัดเฉือนส่วนประกอบที่ตามมาภายหลัง LMD (โดยลูกค้า) และการทดสอบส่วนประกอบสำเร็จรูปในการทดสอบเครื่องยนต์ (โดยลูกค้า) ขั้นตอนที่สามประกอบด้วยการรับรองกระบวนการ ที่ดำเนินการหลังจากผ่านขั้นตอนเหล่านี้ทั้งหมดเรียบร้อยแล้ว
รูปที่ 4. ภาพตัดขวางของผนังร่องปรับสภาพโดย LMD Cross section of a groove wall reconditioned by LMD.
เนื่องจากส่วนประกอบที่ผ่านกระบวนการ ทำมาจากโลหะผสมนิกเกิล หรือไททาเนียมเป็นหลัก จึงต้องหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาทางเคมี กับองค์ประกอบในบรรยากาศ เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน คาร์บอน และไฮโดรเจน การใช้หัวฉีดเคลือบพิเศษ ทำให้กระบวนการซ่อมแซมมีความยืดหยุ่นมากขึ้น (ดูรูปที่ 1) ตรงกันข้ามกับกระบวนการที่ต้องใช้ห้องแก๊ส ไม่มีข้อจำกัดด้านขนาดสำหรับส่วนประกอบที่สามารถซ่อมแซมได้อีกต่อไป นอกจากนี้ เทคนิคนี้ยังช่วยลดต้นทุนและ ความพยายามในการบรรจุและล้างห้องแปรรูปด้วยก๊าซเฉื่อย นี่เป็นโอกาสใหม่สำหรับซัพพลายเออร์ OEM และผู้ให้บริการบำรุงรักษาและซ่อมแซมเครื่องยนต์อากาศยาน
ลักษณะเฉพาะ
ด้วยการปรับเค้าโครงกระบวนการ และพารามิเตอร์ กระบวนการอย่างเหมาะสม กระบวนการ LMD ส่งผลให้เกิดการซ่อมแซมชั้นและปริมาตรที่ปราศจากข้อบกพร่องใดๆ เช่น รอยแตกขนาดเล็กและการยึดติด และความพรุนจะลดลง หัวพ่นสีฝุ่นขนาดกะทัดรัดแบบโมดูลาร์ที่พัฒนาขึ้นใหม่ (นอกแกน/โคแอกเชียล) รับประกัน LMD ที่ไม่มีการปนเปื้อนสำหรับรูปทรงชิ้นส่วนต่างๆ โดยการสร้างบรรยากาศของก๊าซที่ป้องกัน ในพื้นที่ที่เหมาะสม คุณสมบัติทางกลของวัสดุ LMD หลังจากการอบชุบด้วยความร้อน ที่เหมาะสมเป็นไปตามข้อกำหนดของวัตถุดิบที่หลอมหรือหล่อ
LMD ลดการบิดเบือนของส่วนประกอบ เมื่อเปรียบเทียบ กับเทคนิคการเชื่อมแบบสะสมทั่วไป LMD ให้ผลลัพธ์ที่เกือบจะเป็นรูปร่างสุทธิ ขนาดใหญ่พิเศษโดยทั่วไปอยู่ในช่วง 100-300 µm ห่วงโซ่กระบวนการปิดศูนย์รวมถึงข้อต่อ CAD/CAM/NC พร้อมใช้งานสำหรับการดำเนินการ ตามกระบวนการกับส่วนประกอบของแท้ การตรวจสอบและควบคุมกระบวนการโดย pyrometry และระบบที่ใช้กล้องเพื่อการประกันคุณภาพ กำลังอยู่ในระหว่างการตรวจสอบ
รูปที่ 5. เครื่อง LMD สำหรับซ่อมส่วนประกอบเครื่องยนต์ aero ของแท้ที่ KLM เนเธอร์แลนด์ (ซ้าย) ซ่อมซีลจานวงกต (ขวา)
…
ลักษณะทางเรขาคณิตบนพื้นผิวของเคส BR715 HPT ของ Nimonic PE16 ที่มีนิกเกิลเป็นเบส พร้อมสารเติมแต่งผง Inconel 625 ที่เป็นนิกเกิลเป็นเบสสำหรับบอส ตัวยึด และหน้าแปลน ได้รับการซ่อมแซมในพื้นที่โดยมีเพียงชั้นเดียว (ดูรูปที่ 2) เนื่องจากความร้อนที่ป้อนเข้าน้อยที่สุดจากกระบวนการ LMD จึงสามารถหลีกเลี่ยงความผิดเพี้ยนของส่วนประกอบได้เกือบทั้งหมด ผลลัพธ์ LMD ที่ปราศจากการปนเปื้อน (ออกซิเดชัน) รับประกันโดยการป้องกันก๊าซในพื้นที่โดยใช้หัวฉีดแบบผงที่พัฒนาขึ้นใหม่ ร่องลวดลดแรงสั่นสะเทือนของดรัมด้านหน้า BR715 HPC ที่ทำจากโลหะผสมไทเทเนียม Ti-6Al-4V และ Ti-6246 ได้รับการซ่อมแซมโดยการปรับสภาพผนังร่องใหม่ (ดูรูปที่ 3) ความท้าทายหลักในแอปพลิเคชันนี้ ส่งผลกระทบต่อผนังด้านตรงข้าม (การป้อนความร้อน การหลอมใหม่ ฯลฯ) โดยสิ้นเชิง และการเข้าถึงการประมวลผลถูกจำกัดเนื่องจากรูปทรงของร่อง (ดูรูปที่ 4)
เครื่องที่ติดตั้ง
Fraunhofer ILT ได้ช่วยติดตั้งเครื่องจักร LMD แบบสมบูรณ์ที่ไซต์งานของลูกค้าสำหรับการทำแม่พิมพ์และแม่พิมพ์ การผลิตเฟือง และวิชาการบิน ตัวอย่างหนึ่งของเครื่องจักรในวิชาการบินคือเครื่อง LMD ที่ KLM ประเทศเนเธอร์แลนด์ บริษัทใช้เครื่องนี้ในการซ่อมแซมส่วนประกอบเครื่องยนต์แอโร เช่น แผ่นปิดเขาวงกตที่ทำจาก 17-4PH (ดูรูปที่ 5)
ในปี 2008 Rolls-Royce Deutschland จะติดตั้งเครื่อง LMD เครื่องแรกที่โรงงาน Oberursel ประเทศเยอรมนี สิ่งนี้จะช่วยนำไปใช้และสร้างเทคโนโลยีนี้ในด้านการใช้งานวิชาการบิน
มาตรฐานที่กำหนดโดย Fraunhofer ILT และพันธมิตรทางอุตสาหกรรมในการซ่อมแซมส่วนประกอบเครื่องยนต์อากาศยานในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมายังเป็นประโยชน์ต่อโครงการ FANTASIA ซึ่งเป็นโครงการร่วมของยุโรปซึ่งมีบริษัท 11 แห่งจากสาขาเทคโนโลยีการบินและอวกาศและเทคโนโลยีเลเซอร์และศูนย์ R&D แปดแห่ง มีส่วนร่วม เปิดตัวในเดือนมิถุนายน 2549 โครงการมูลค่า 6.5 ล้านยูโรได้รับการประสานงานโดย Fraunhofer ILT และได้รับเงินทุนจากคณะกรรมาธิการยุโรป มีเป้าหมายที่ทะเยอทะยาน: ลดต้นทุนการซ่อมอย่างน้อย 40 เปอร์เซ็นต์ และลดเวลาตอบสนองการซ่อมสำหรับชิ้นส่วนลง 40 เปอร์เซ็นต์ ส่วนประกอบบางอย่างที่เคยต้องทิ้งไปก่อนหน้านี้เนื่องจากขาดเทคนิคการซ่อมแซมที่เหมาะสม ตอนนี้ได้รับการซ่อมแซมด้วยความช่วยเหลือของ LMD คาดว่าจะประหยัดได้หกหลัก เป็นไปได้จริงที่จะคาดหวังว่าวัตถุดิบจะลดลงถึง 50 เปอร์เซ็นต์และในขั้นตอนหลังการประมวลผลสูงถึง 25 เปอร์เซ็นต์
Laser Metal Deposition Package from EIT
Thanks Credit : The authors are all associated with Fraunhofer ILT, Aachen, Germany; www.ilt.fraunhofer.de. Contact Axel Bauer, axel.bauer@ilt.fraunhofer.de for more information.
https://www.laserfocusworld.com/industrial-laser-solutions