在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的地面維修中，需要高精度高轉(zhuǎn)速齒輪箱設(shè)備。然而這類設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，易造成其輸軸的花鍵部位磨損，從而失效。目前主要通過更換傳動(dòng)軸的方式解決。但由于購置新軸周期較長(zhǎng)且價(jià)格昂貴。為此，本文將采用激光熔覆技術(shù)對(duì)傳動(dòng)軸的花鍵磨損部位進(jìn)行修復(fù)，并評(píng)價(jià)其維修可行性。結(jié)果顯示，維修軸的時(shí)間成本為新軸的21%左右，價(jià)格成本約40%，而使用性能卻顯著提高。這是由于熔覆層的硬度較新軸的更高，其耐磨性更好。因此激光熔覆技術(shù)維修高轉(zhuǎn)速齒輪花鍵軸具有很大的可行性。

　　目前，我國(guó)軍用航空正處于高速的發(fā)展階段，因此人們對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全提出了更高的要求。因此為了全面保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)能夠安全的工作，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性能，避免出現(xiàn)重大安全事故，就需要在地面對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件進(jìn)行定期維修。在維修過程中需要對(duì)其進(jìn)行地面試機(jī)，為模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速、高壓力的工作狀態(tài)，就需要高轉(zhuǎn)速高精度齒輪箱設(shè)備。這類齒輪設(shè)備在長(zhǎng)期的使用過程中因受到交變載荷、潤(rùn)滑不良和散熱不佳等因素的影響， 易造成齒輪箱輸出軸花鍵部位的磨損，從而造成齒輪箱失效。原有的維修方案是定期更換新軸，而新軸 的購置成本約1.4萬/根，采購周期約為3個(gè)月。而在整個(gè)軸的制造成本中，其斜齒輪的成本超過70%，而花鍵的成本不超過10%，如果因花鍵部位磨損而更換，實(shí)屬浪費(fèi)，也不符合節(jié)能減排的國(guó)家政策。目前常用的修復(fù)技術(shù)為再制造技術(shù)，而激光熔覆屬于再制造技術(shù)中的一種，是一種有效的制備合金涂層的技術(shù)，通過該技術(shù)能獲得低稀釋度和高性能的冶金結(jié)合層。與傳統(tǒng)的堆焊工藝相比，激光熔覆技術(shù)具有熱輸人量小、獲得極細(xì)的顯微組織和易于實(shí)現(xiàn)精確控制和工業(yè)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械零件表面修復(fù)再制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，本論文將采用激光熔覆技術(shù)對(duì)高速花鍵齒輪軸磨損部位進(jìn)行修復(fù)，并從技術(shù)和成本角度出發(fā)，評(píng)估其修復(fù)的必要性。

　　1 實(shí)驗(yàn)材料

　　花鍵齒輪軸的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼20CrNi2MoA， 具體成本如表1所列，其材料的化學(xué)成分及機(jī)械性能符合JB/ZQ4290-86規(guī)定。該軸的齒部滲碳淬火， 有效硬化層深為0.60～0.9mm， 齒面硬度為HRC570～62，芯部硬度為HRC27～33。其磨損情況如圖1所列。本次修復(fù)軸的數(shù)量為4根，這不僅可以降低修復(fù)軸的單價(jià)，同時(shí)樣本數(shù)量也滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)比要求。

圖 1 花鍵軸磨損情況

　　2 花鍵齒輪軸修復(fù)工藝流程

　　花鍵齒輪軸的修復(fù)工藝為：拆卸和清洗、修復(fù)前探傷、修復(fù)部位切削打磨、激光熔覆、加工花鍵、動(dòng)平衡測(cè)試、修復(fù)后探傷。各工序具體細(xì)節(jié)要求如下：

　　拆卸和清洗:在花鍵齒輪軸正式修復(fù)前，首先需要將齒輪箱開蓋，然后將已磨損的花鍵齒輪軸從齒輪箱上拆卸下，最后再用專用工裝將其兩端的軸承拆卸下來。由于齒輪上有殘余潤(rùn)滑液和磨損殘余物，拆卸后需將該軸放置到超聲波清洗槽中，用專用堿性清洗液清洗2h，然后用壓縮空氣吹干，為下一步工序做準(zhǔn)備。

　　修復(fù)前探傷:由于花鍵齒輪軸的齒輪需要承受高達(dá)28000r/min 的轉(zhuǎn)速，屬于高轉(zhuǎn)速高精度軸，因此該軸的齒輪為斜齒輪。在整個(gè)軸的制造過程中，斜齒輪的制造成本超過了60%，而修復(fù)斜齒輪的難度系數(shù)大，費(fèi)用高昂，且修復(fù)層的穩(wěn)定性在高轉(zhuǎn)速下難以保證;如果斜齒輪齒面受損，從成本角度來說，該軸已經(jīng)失去修復(fù)的必要。如果齒輪完好，則進(jìn)行下一步工序。通常在正常使用下，都是花鍵磨損，齒輪完好，且目前絕大部分花鍵齒輪軸都是因?yàn)榛ㄦI過度磨損而失效。其中，檢測(cè)方式為磁粉探傷，檢測(cè)方法為溶劑去除性著色，滲透時(shí)間和顯像時(shí)間≥10min，清洗劑選用HD通用型，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)按照NB/T47013-2015執(zhí)行。

　　修復(fù)部位打磨切削:對(duì)已磨損花鍵進(jìn)行車削，祛除表面殘余花鍵和氧化層，使其漏出基層材料。最后再進(jìn)行打磨，增加其表面粗糙度，以增加基層與熔覆層之間的粘附性。

　　激光熔覆:采用激光熔覆技術(shù)在花鍵部位進(jìn)行增材制造，增加厚度為2.2mm，預(yù)留0.2mm的機(jī)械加工余量。由于熔覆層厚度較大，將采用激光多層熔覆技術(shù)。該花鍵齒輪軸的材料屬于優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼材料，因此激光熔覆粉末選擇鐵基粉末;又因其轉(zhuǎn)速高，要求其底部韌性好，表層硬度高，故在本文的激光熔覆中選用雙層激光熔覆技術(shù)。首先用硬度較低Fe35鐵基合金粉打底，再用硬度較高的粉末熔覆表層。表層鐵基粉末的配方詳見表2，規(guī)格為球型，尺寸為-80～+325目。為增加熔覆層強(qiáng)度，減少熔覆層裂紋，在表層的鐵基粉中添加了適量的MoS2 和 La2O3，其中鐵基粉和MoS2與La2O3的比例為95∶5。本文中所使用的激光功率為3kW;保護(hù)氣體為氬氣,氬氣流量為10~30L/min;熔覆速度為400~500mm/min，送粉量為3.0 ~8.0g/min。熔覆前對(duì)軸和粉進(jìn)行預(yù)熱，軸的預(yù)熱溫度為120 ~130℃，粉預(yù)熱的溫度為100～110 ℃;底層熔覆圈數(shù)為1，厚度為0.3～0.4mm;面層圈數(shù)為2～3，厚度為0.5～0.6mm;在進(jìn)行面層熔覆時(shí)，每層之間預(yù)留表層冷卻時(shí)間，以減少局部溫度，防止產(chǎn)生裂紋和變形。修復(fù)完后放入保溫箱自然冷卻?；ㄦI軸修復(fù)后形狀如圖2(a)所示。表面粉末成分如表2所示。

　　圖2 花鍵軸齒輪軸修復(fù)過程圖　　 表2 表面粉末成分

　　加工花鍵:根據(jù)花鍵齒輪軸尺寸圖紙要求，如圖3所示，在修復(fù)部位加工出的新花鍵，新加工的花鍵齒輪軸如圖2(b)所示。

　　動(dòng)平衡測(cè)試:由于該軸的轉(zhuǎn)速較高，因此需要對(duì)修復(fù)后的花 鍵齒輪軸做動(dòng)平衡測(cè)試，具體要求當(dāng)n=3000r/min時(shí)U_max=0.273g.cm。動(dòng)平衡測(cè)試如圖2(c)所示，如有不平，可在兩端非軸承安裝面和花鍵上去重。

　　修復(fù)后探傷:對(duì)動(dòng)平衡后的花鍵齒輪軸進(jìn)行整體磁力探傷， 檢測(cè)修復(fù)軸在修復(fù)過程中是否產(chǎn)生了裂紋。探傷標(biāo)準(zhǔn)和修復(fù)前探傷保持一致。

　　3 維修性評(píng)價(jià)

　　硬度測(cè)試:由于在激光熔覆修復(fù)時(shí)，易引起溫度過高，對(duì)軸的基層材質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，因此本文選擇一根直徑尺寸與修復(fù)花鍵一致，材料為20CrNi2MoA的軸， 前期采用相同的方式進(jìn)行打磨，獲得相同的粗糙度， 然后采用相同的方式進(jìn)行熔覆，最后截?cái)?，分別測(cè)量基層區(qū)，熱影響區(qū)底層熔覆區(qū)底層硬度和表層的硬度，對(duì)照組為該軸熔覆前的硬度，測(cè)量點(diǎn)分別取6個(gè)點(diǎn)，最后取平均值，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

　　結(jié)果顯示，激光熔覆對(duì)花鍵齒輪軸軸芯部材料的影響較小，幾乎沒有;而熱影響區(qū)材料的硬度略低于芯部材料，經(jīng)測(cè)量，熱影響區(qū)的寬度為0.3mm，熱影響區(qū)較小;底層熔覆區(qū)域的硬度略低于基層，具有良好的韌性，其寬度為0.44mm;而表層的硬度則明顯增大，這主要是由于在層間冷搭接期間每個(gè)熔覆層測(cè)得的硬度同樣隨著層數(shù)的增多出現(xiàn)降低的情況，每層熔覆層的平均硬度則從最外面一層到與母體結(jié)合的第一層呈現(xiàn)順次降低的情況，最外面一層的硬度最高，同樣隨著層數(shù)的增加上述規(guī)律越明顯;雖然在層間熱搭接期，每個(gè)熔覆層的硬度會(huì)隨著層數(shù)的增多呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但整體的平均硬度還是會(huì)高于母體的硬度。由于熱影響區(qū)的硬度和基層硬度相近， 且厚度小，因此該修復(fù)工藝不會(huì)影響花鍵齒輪軸的基層材料。

　　齒輪箱測(cè)試:用專用工裝將軸承安裝在花鍵齒輪軸上后，再將其安裝到齒輪箱上，對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試，如圖5所示。測(cè)試參數(shù)為軸的使用壽命，修復(fù)軸和新軸的樣本量均為4根，結(jié)果取平均值和方差。使用壽命結(jié)果如圖6所示。

　　由圖可知，修復(fù)軸花鍵的使用時(shí)間明顯比新軸長(zhǎng)，這是由于熔覆層表面硬度比新軸花鍵部位的硬度高約30%，因此其耐磨性整體提高。圖中，修復(fù)軸方差值遠(yuǎn)大于新軸，這是因?yàn)槟掣迯?fù)軸所在設(shè)備因潤(rùn)滑液長(zhǎng)時(shí)間未更換，潤(rùn)滑性差，磨損量大， 因此造成了修復(fù)軸的方差較新軸更大。

　　成本評(píng)價(jià):修復(fù)軸和新軸的價(jià)格成本和時(shí)間成本對(duì)比如表3所示。由表的知，修復(fù)軸的成本(包括探傷、激光熔覆、花鍵加工和動(dòng)平衡測(cè)試)僅為新軸單價(jià)的55%左右，供貨周期為新軸的13%，而由表3可知，修復(fù)軸的使用壽命約新軸的115%。

　　總結(jié)：本文采用激光熔覆技術(shù)對(duì)花鍵齒輪軸的花鍵磨損部位進(jìn)行修復(fù)，結(jié)果顯示，激光熔覆的溫度對(duì)軸基層材料的影響很小;熱影響區(qū)硬度影響不大，范圍較窄;熔覆區(qū)采用雙層熔覆技術(shù)，底層采用硬度較低的鐵基粉打底，獲得較好的韌性;面層采用硬度更高的粉末進(jìn)行熔覆，增加了面層的耐磨性，提升了花鍵的使用壽命。相比新軸，修復(fù)軸的使用性能更好，而時(shí)間成本和維修成本更低。因此，激光熔覆技術(shù)對(duì)于花鍵齒輪軸的修復(fù)具有較高的維修性。