在航空發(fā)動機的地面維修中，需要高精度高轉(zhuǎn)速齒輪箱設(shè)備。然而這類設(shè)備在長時間的使用中，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軸的方式解決。但由于購置新軸周期較長且價格昂貴。為此，本文將采用激光熔覆技術(shù)對傳動軸的花鍵磨損部位進(jìn)行修復(fù)，并評價其維修可行性。結(jié)果顯示，維修軸的時間成本為新軸的21%左右，價格成本約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，我國軍用航空正處于高速的發(fā)展階段，因此人們對航空發(fā)動機的安全提出了更高的要求。因此為了全面保證航空發(fā)動機能夠安全的工作，提高航空發(fā)動機的安全性能，避免出現(xiàn)重大安全事故，就需要在地面對航空發(fā)動機零部件進(jìn)行定期維修。在維修過程中需要對其進(jìn)行地面試機，為模擬發(fā)動機的高轉(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)備在長期的使用過程中因受到交變載荷、潤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個月。而在整個軸的制造成本中，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，實屬浪費，也不符合節(jié)能減排的國家政策。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現(xiàn)精確控制和工業(yè)自動化等優(yōu)點，在機械零件表面修復(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)，評估其修復(fù)的必要性。

　　1 實驗材料

　　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，同時樣本數(shù)量也滿足實驗對比要求。

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、動平衡測試、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為花鍵過度磨損而失效。其中，檢測方式為磁粉探傷，檢測方法為溶劑去除性著色，滲透時間和顯像時間≥10min，清洗劑選用HD通用型，檢測標(biāo)準(zhǔn)按照NB/T47013-2015執(zhí)行。

　　修復(fù)部位打磨切削:對已磨損花鍵進(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，每層之間預(yù)留表層冷卻時間，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。

　　動平衡測試:由于該軸的轉(zhuǎn)速較高，因此需要對修復(fù)后的花 鍵齒輪軸做動平衡測試，具體要求當(dāng)n=3000r/min時U_max=0.273g.cm。動平衡測試如圖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:對動平衡后的花鍵齒輪軸進(jìn)行整體磁力探傷， 檢測修復(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 維修性評價

　　硬度測試:由于在激光熔覆修復(fù)時，易引起溫度過高，對軸的基層材質(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，最后截斷，分別測量基層區(qū)，熱影響區(qū)底層熔覆區(qū)底層硬度和表層的硬度，對照組為該軸熔覆前的硬度，測量點分別取6個點，最后取平均值，測量結(jié)果如圖4所示。

　　結(jié)果顯示，激光熔覆對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熔覆層測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，每個熔覆層的硬度會隨著層數(shù)的增多呈現(xiàn)出下降的趨勢，但整體的平均硬度還是會高于母體的硬度。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)工藝不會影響花鍵齒輪軸的基層材料。

　　齒輪箱測試: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，對其進(jìn)行性能測試，如圖5所示。測試參數(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)軸花鍵的使用時間明顯比新軸長，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，這是因為某根修復(fù)軸所在設(shè)備因潤滑液長時間未更換，潤滑性差，磨損量大， 因此造成了修復(fù)軸的方差較新軸更大。

　　成本評價:修復(fù)軸和新軸的價格成本和時間成本對比如表3所示。由表的知，修復(fù)軸的成本(包括探傷、激光熔覆、花鍵加工和動平衡測試)僅為新軸單價的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，而時間成本和維修成本更低。因此，激光熔覆技術(shù)對于花鍵齒輪軸的修復(fù)具有較高的維修性。