Surface repair of aircraft titanium alloy parts by cold spraying technology

Abstract

Titanium alloys have the advantages of high specific strength, good corrosion resistance, high heat resistance, and low density, which is the main structural material of aerospace system components, including compressor blade, cartridge receiver, blisk, engine nacelle, thermal baffle and so on. At present, about three-quarters of ti-tanium and titanium alloys in the world are used in the aerospace industry, including A350 for 14%, F18 for 15 %, B787 for 15 %, SU-57 for 18 %, J-20 for 20 %, FC-31 fighters for 25 %, F35 for about 27 %, and F22 up to 41 %, etc, so it has the reputation of "space metal". However, its low wear resistance limits the further development of titanium alloy. Besides, its high manufacturing cost, if only require the occasion of surface per-formance can reduce the use of the substrate, and then reduced the cost. Therefore, the study of aircraft titani-um alloy is of great significance, the protection of titanium alloy includes alloying technology and coating technology. Alloying technology mainly adds other elements on its basis to improve the performance, while the most popular method is coating technology, the present, there are many coating technologies, include high-velocity oxy-fuel (HVOF), HVAF, cold spraying, laser cladding, laser micro-fusion in-situ synthesized technol-ogy, micro-arc oxidation, laser melt injection (LMI), supersonic laser deposition (SLD) and supersonic plasma spray technology, surface repair titanium alloy parts by cold spraying technology are good ways to solve those problems. Because of its low process temperature, no oxidation, only plastic deformation, and repair efficiency are high, the protective coating has high bonding strength and good impact toughness. In this paper, the types and applications of aircraft titanium alloys were reviewed, the latest research results of surface repair of tita-nium alloys parts by cold spraying technology were reviewed, technological parameters of the cold gas dy-namic spraying technology was analyzed, including powder size of particles, morphologies, critical velocity, particle compression rate, substrate preheating effects on the particle/substrate adhesion, etc.

Перевагами титанових сплавів є висока питома міцність, хороша корозійна стійкість, висока жаростійкість, низька щільність, і використовуються в якості конструкційного матеріалу для виготовлення деталей аерокосмічної техніки, таких як лопатки компресора, патронний приймач, гондола двигуна, теплова перегородка і так далі. В даний час в аерокосмічній промисловості використовується близько трьох чвертей титану і титанових сплавів в світі. У процентному співвідношенні кількість деталей з титанових сплавів в літаках A350 становить 14%, F18 – 15%, B787 – 15%, Су-57 – 18%, J-20 – 20%, винищувачі FC-31 – 25%, F35 – 27 %, F22 – до 41% і т. д., а даний метал має репутацію «літаючого металу». Однак його низька зносостійкість об-межує широке застосування титанових сплавів. Ще одним недоліком деталей з титанових сплавів є їх висока собівартість виробництва. Тому вивчення і розвиток технологій захисту і поліпшення авіаційних титанових сплавів має велике значення. В даний час використовуються металургійний спосіб підвищення зносостійкості за рахунок застосування легуючих добавок, а також технологій нанесення покриттів. Існує багато технологій нанесення покриттів, наприклад, високошвидкісне газо-полуменеве напилювання (HVOF), наплавка, детонаційне, плазмове напилювання та інші. У даній роботі розглянута перспективна технологія холодного газодинамічного напилювання для ремонту і відновлювання деталей з титанових сплавів. Перевагами технології в порівнянні з іншими методами нанесення покриттів є низька температура процесу, відсутність окислення і структурно-фазових перетворень в матеріалах покриття і підкладки, відносно низька собівартість отримання покриттів. Покриття мають високу міцність зчеплення з підкладкою, мікротвердість і низь-ку пористість. У даній статті розглянуто області застосування авіаційних титанових сплавів, наведено приклади деталей з даних сплавів, проаналізовано дефекти і причини їх виникнення. Виконано аналіз останніх робіт в області поверхневого ремонту деталей з титанових сплавів за допомогою технології холодного напилювання, проаналізовано технологічні параметри процесу формування покриттів, в тому числі розмір часток напилюваного порошку, морфологія, швидкість і температура частинок в процесі напилювання, вплив попереднього нагріву підкладки на адгезію міцність системи покриття/підкладка та інше.

Титановые сплавы обладают преимуществами высокой удельной прочности, хорошей коррозионной стойкости, высокой жаростойкости, низкой плотности, и используются в качестве конструкционного материала для изготовления деталей аэрокосмической техники, таких как лопатки компрессора, патронный приемник, гондола двигателя, тепловая перегородка и так далее. В настоящее время в аэрокосмической промышленности используется около трех четвертей титана и титановых сплавов в мире. В процентном соотношении количество деталей из титановых сплавов в самолетах A350 составляет 14 %, F18 – 15 %, B787 – 15 %, Су-57 – 18 %, J-20 – 20 %, истребители FC-31 – 25 %, F35 – 27 %, F22 – до 41 % и т. д., а данный металл имеет репутацию «летающего металла». Однако его низкая износостойкость ограничивает широкое применения титановых сплавов. Еще одним недостатком деталей из титановых сплавов является их высокая себестоимость производства. Поэтому изучение и развитие технологий защиты и улучшений авиационных титановых сплавов имеет большое значение. В настоящее время используются металлургический способ повышения износостойкости за счет применения легирующих добавок, а также технологии нанесения покрытий. Существует множество технологий нанесения покрытий, например, высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF), наплавка, детонационное, плазменное напыление и другие. В данной работе рассмотрена перспективная технология холодного газодинамического напыления для ремонта и восстановления деталей из титановых сплавов. Преимуществами технологии в сравнении с другими методами нанесения покрытий является низкая температура процесса, отсутствие окисления и структурно-фазовых превращений в материалах покрытия и подложки, относительно низкая себестоимость получения покрытий. Покрытия обладают высокой прочностью сцепления с подложкой, микротвердостью и низкой пористостью. В данной статье рассмотрены области применения авиационных титановых сплавов, приведены примеры деталей из данных сплавов, проанализированы дефекты и причины их возникновения. Выполнен анализ последних работ в области поверхностного ремонта деталей из титановых сплавов с помощью технологии холодного напыления, проанализированы технологические параметры процесса формирования покрытий, в том числе размер частиц напыляемого порошка, морфология, скорость и температура частиц в процессе напыления, влияние предварительного нагрева подложки на адгезию прочность системы покртие/подложка и т.д.