CN101613860B - 燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于提高钛或钛合金表面硬度即耐磨性的激光处理技术,具体为一种燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法。根据叶片的叶尖或阻尼凸肩结构几何形状,采用相应的套膜胎具,在套模胎具中预置粉末,由套模胎具及添加在其中的粉末构成静态粉末床,并借用静态粉末床将粉末均匀地预置在叶片叶尖上或叶片阻尼凸肩上;采用惰性气体或N2保护激光辐照区,对叶片进行激光辐照。采用本发明可在钛合金叶片的叶尖或阻尼凸肩上形成硬度为35~62HRC,厚度为0.05~2.0mm硬面敷层。优点:不需要真空,在大气条件下仅需Ar、He等惰性气体保护下进行激光熔敷,操作方便,形成的硬面涂层与叶片基体有很好的物理与化学上适配性能。
Description
技术领域
本发明属于提高钛或钛合金表面硬度即耐磨性的激光处理技术,具体为一种燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法。
背景技术
目前,燃气轮机广泛应用于航空发动机和地面发电装置上。钛合金因其高的比强度,优良的耐蚀性能在燃气轮机的压气机叶片、中介机匣、防冰壳体与杯形件、油泵叶轮等零部件上被广泛采用,而随着高推比、高功率、高性能燃气轮机的发展,钛合金的使用将愈来愈多。然而,钛合金由于其较低的硬度、不耐磨而在应用上受到限制。同时,目前在使用的钛合金件也经常遭受磨损损伤而失效,如燃气轮机的压气机叶片常由于其叶尖端部与封严环碰撞摩擦而被磨短,以及叶片阻尼凸肩表面微震磨损叶片间隙增大,而导致叶片叶身激烈摆动,严重时叶片叶根发生断裂事故。
发明内容
为解决燃气轮机钛合金叶片的叶尖和叶片阻尼凸肩表面磨损问题,本发明的目的是提供一种燃气轮机钛合金叶片激光熔覆硬面涂层工艺方法。采用本工艺方法,可以用来对钛合金叶片的叶尖或阻尼凸肩进行硬面敷层强化处理,亦可对服役后磨损减少尺寸的叶片叶尖或阻尼凸肩进行几何尺寸恢复的修复,并达到延寿的目的。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,根据叶片的叶尖或阻尼凸肩结构几何形状,采用相应的套膜胎具,在套模胎具中预置粉末,由套模胎具及添加在其中的粉末构成静态粉末床,并借用静态粉末床将粉末均匀地预置在叶片叶尖上或叶片阻尼凸肩上;采用惰性气体或N2保护激光辐照区,使用脉冲式激光器或连续式激光器对叶片进行激光辐照。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,激光熔覆形成的涂层达到硬度HRC35~62,厚度为0.1mm以上,涂层平滑光亮、无气孔裂纹;涂层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合,组织均匀,无冶金缺陷存在。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,采用铜、铝、铝合金或石墨制成适配于叶片叶尖或叶片阻尼凸肩几何结构形状的套模胎具,该套模胎具与叶片叶尖端平面或叶片阻尼凸肩表面组合构成一个凹腔,即所谓静态粉末床;然后,向此粉末床内敷置粉末。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,套模胎具设有通水冷却通道,在套模胎具上设有保护气体喷咀。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,粉末预置方式为干粉撒置法、胶粘接法、料浆灌置法、自动喂送粉末法或坯块预置法。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,所述粉末采用钛合金粉末与金属碳化物粉末或B4C粉或BN粉混合而成的复合粉末;其中,
钛合金粉末和金属碳化物粉末,混合的重量比例为从95%∶5%到85%∶15%;
钛合金粉末和BN或B4C粉末,混合的重量比例为从99.9%∶0.1%到90%∶10%。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,钛合金粉末为:α-Ti、α+β-Ti或β-Ti三种组织结构形式钛合金粉末,粉末粒度从100目到350目;金属碳化物粉末为:过渡金属碳化物或难熔金属碳化物,粉末粒度从100目到400目;BN或B4C粉末粒度从100目到400目。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,复合粉末采用机械滚动球磨或高能球磨制备。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,脉冲式激光器进行激光辐照的工艺参数如下:
每个脉冲作用的能量5~80J;
脉冲宽度为2~16ms;
脉冲频率为1~20Hz;
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,连续式激光器进行激光辐照的工艺参数如下:
功率密度103~106W/cm2;
输出功率为500~10000W。
所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,激光辐照前,叶片和粉末经25℃~150℃烘干;激光辐照后,叶片件经400℃~1000℃真空处理2~5小时。
本发明的优点:
1、不需要真空,在大气条件下,仅需Ar、He等惰性气体保护下进行激光熔覆,在钛合金基体上形成钛基硬面敷层;
2、激光熔覆所形成的钛基合金硬面涂层的硬度,可以通过改变钛合金粉末和金属碳化物或B4C或BN之间质量比例来进行调整,硬度调整方便,范围广;
3、激光熔覆所形成的钛基合金硬面涂层的显微组织结构特征是:钛合金基体和与其共格自生的TiC强化相,两相内界面结合匹配协调;
4、激光熔覆所形成的钛基合金硬面涂层与叶片基体有很好的物理与化学上适配性能,如热膨胀系数、导热性以及抗腐蚀性能等基本相同;
5、混合粉末易制备,成本低,叶片涂层生产成品率高。
具体实施方式
本发明燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,根据叶片的叶尖或阻尼凸肩结构几何形状,采用相应的套膜胎具,在套模胎具中预置粉末,由套模胎具及添加在其中的粉末构成静态粉末床,叶片的非处理部分置于静态粉末床中,起到保护叶片的作用。所述粉末采用钛合金粉末与金属碳化物粉末(或B4C粉或BN粉)按适当比例混合复合粉末,并借用静态粉末床均匀地预置在叶片叶尖上或叶片阻尼凸肩上。叶片件是借助专用的工装夹具固定在由具有CAD(计算机辅助设计)/CNC(计算机数控)的X-Y工作台上;采用惰性气体或N2保护激光辐照区,使用脉冲式激光器(如固体激光器)或连续式激光器(二氧化碳激光器)进行激光辐照;激光熔覆形成的涂层可达到硬度HRC35~62,厚度为0.05~2.0mm,涂层平滑光亮、无气孔裂纹;涂层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合,组织均匀,无冶金缺陷存在。经热处理,涂层硬度稍有所降低,但涂层热疲劳性能有显著提高。其具体步骤如下:
1、采用铜、铝、铝合金或石墨等良导体材料制成适配于叶片叶尖或叶片阻尼凸肩几何结构形状的套模胎具,该套模胎具与叶片叶尖端平面或叶片阻尼凸肩表面组合构成一个凹腔,即所谓静态粉末床;然后,向此粉末床内敷置粉末。为保持套模胎具良好的冷却,还设有通水冷却通道;为实现粉末的良好保护,不氧化,在套模胎具上设有保护气体喷咀。
2、粉末放置方式:干粉撒置法、胶粘接法、料浆灌置法、自动喂送粉末法或坯块预置法等;
3、粉末组成与制备
(1)粉末组成
钛合金粉末和金属碳化物粉末,混合比例(wt%)为从95%∶5%到85%∶15%;
或者,钛合金粉末和BN(或B4C)粉末,混合比例(wt%)为从99.9%∶0.1%到90%∶10%;
(2)钛合金粉末为:α-Ti、α+β-Ti或β-Ti三种组织结构形式钛合金粉末,粉末粒度从100目到350目;金属碳化物粉末为:过渡金属碳化物或难熔金属碳化物,粉末粒度从100目到400目;BN(或B4C)粉末粒度从100目到400目;
(3)粉末的制备:机械滚动球磨或高能球磨;
(4)激光辐照前,叶片和粉末经25℃~150℃烘干。
4、激光辐照:在Ar气、He气、N2气之一种或两种以上的混合气体保护下,进行CO2激光连续辐照或固体激光脉冲辐照,借助计算机控制激光往返辐照;
本发明中,固体激光器进行激光辐照的工艺参数如下:
波长为1.06微米;
每个脉冲作用的能量5~80J;
脉冲宽度为2~16ms;
扫描聚焦束斑直径为0.2~2mm;
脉冲频率为1~20Hz;
扫描速度1~10mm/s;
本发明中,二氧化碳光激光器进行激光辐照的工艺参数如下:
波长为10.6微米;
功率密度103~106W/cm2;
输出功率为500~10000W;
扫描聚焦束斑直径1~5mm;
扫描速度3~20mm/s。
5、后热处理:激光辐照后,叶片件经400℃~1000℃真空处理2~5小时。
实施例1
某型航空发动机压气机二级叶片,材料为TC4钛合金,组织为α+β双相结构。叶片叶尖为弧形,壁厚1.0mm左右。采用石墨块制成适合此叶片叶尖的套模胎具并固定在叶尖上。为保持套模胎具良好的冷却,还设有通水冷却通道;为实现粉末的良好保护,不氧化,在套模胎具上设有保护气体喷咀。将含有(5~20)wt%Cr3C2的TC4+Cr3C2且已均匀混合好粉末经120℃、2h的烘干,通过一个自动喂送机构预置到此套模胎具与叶片叶尖所形成的静态粉末床内。随之采用104~105W/cm2能量密度CO2激光束以3~10mm/s速度扫描辐照,氩气保护,波长为10.6微米,输出功率为1000W,扫描聚焦束斑直径3mm,借助计算机控制激光往返辐照。结果,通过原位自生方式在叶片叶尖端平面上形成厚1.5mm左右、高1.0mm左右硬面层。经过着色检测涂层无裂纹、气孔,涂层与基体冶金结合,涂层硬度HRC55。
模拟叶片工况的高速旋转刮擦试验结果表明:涂层叶片磨损失重3.6mg,未涂层叶片磨损6.1mg,叶片叶尖硬面涂层后,耐磨性提高2倍。
实施例2
某地面电力燃机压气机叶片的阻尼凸肩,材料为TAl 1钛合金,组织为α准单相结构,由于使用凸肩阻尼面已发生磨损,经打磨消除减少高度0.5mm左右。叶片凸肩分为位于叶片的背与盆两侧,阻尼面为纺锤形。采用铜制材料制作套模胎具,并将套模胎具固夹在叶片凸肩上。为保持套模胎具良好的冷却,还设有通水冷却通道;为实现粉末的良好保护,不氧化,在套模胎具上设有保护气体喷咀。涂层粉末为TAl 1合金粉末+WC粉末(WC粉末占5~15wt%)的高能球磨混合粉末,经100℃、2h的烘干,采用胶粘结法放置粉末。叶片采用专用工装夹具固定在由CNC控制的X-Y工作台的台面上,并经He-Ne光校核对中;Nd:YAG固体激光束辐照,波长为1.06微米,激光平均功率为500W,脉冲宽度4ms,频率5HZ,扫描速度10mm/s,扫描聚焦束斑直径为1mm,氩气保护,借助计算机控制激光往返辐照。结果,通过原位自生方式形成的硬面涂层厚0.8mm左右,硬度HRC45~52,涂层无裂纹、无气孔,涂层组织仍为α-Ti单相结构。经磨加工处理,叶片阻尼凸肩恢复到原设计尺寸,但凸肩表面层硬度已由原TAl 1基材的HRC30左右提高到HRC50左右,经过上述工艺修复的叶片再服役使用效果良好。年大修检查表明:叶片凸肩阻尼面无明显磨蚀存在。激光硬面涂层修复显著提高了发动机寿命与安全可靠性。
Claims (8)
1.一种燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于:根据叶片的叶尖或阻尼凸肩结构几何形状,采用相应的套膜胎具,在套模胎具中预置粉末,由套模胎具及添加在其中的粉末构成静态粉末床,并借用静态粉末床将粉末均匀地预置在叶片叶尖上或叶片阻尼凸肩上;采用惰性气体或N2保护激光辐照区,使用脉冲式激光器或连续式激光器对叶片进行激光辐照;
通过原位自生方式在叶片叶尖端平面或叶片凸肩表面上形成硬面涂层,所形成的涂层达到硬度HRC35~62,厚度为0.1mm以上,涂层平滑光亮、无气孔裂纹;涂层与叶片基体之间结合界面为冶金熔合,组织均匀,无冶金缺陷存在;
粉末采用与所述燃气轮机钛合金叶片相同材料的钛合金粉末与金属碳化物粉末或B4C粉或BN粉混合而成的复合粉末;其中,
钛合金粉末和金属碳化物粉末,混合的重量比例为从95%∶5%到85%∶15%;
钛合金粉末和BN或B4C粉末,混合的重量比例为从99.9%∶0.1%到90%∶10%。
2.按照权利要求1所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于:采用铜、铝、铝合金或石墨制成适配于叶片叶尖或叶片阻尼凸肩几何结构形状的套模胎具,该套模胎具与叶片叶尖端平面或叶片阻尼凸肩表面组合构成一个凹腔,即所谓静态粉末床;然后,向此粉末床内敷置粉末。
3.按照权利要求2所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于:套模胎具设有通水冷却通道,在套模胎具上设有保护气体喷咀。
4.按照权利要求1所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于:粉末预置方式为干粉撒置法、胶粘接法、料浆灌置法、自动喂送粉末法或坯块预置法。
5.按照权利要求1所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于:钛合金粉末为:α-Ti、α+β-Ti或β-Ti三种组织结构形式钛合金粉末,粉末粒度从100目到350目;金属碳化物粉末为:Cr3C2或WC,粉末粒度从100目到400目;BN或B4C粉末粒度从100目到400目。
6.按照权利要求1所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于:复合粉末采用机械滚动球磨或高能球磨制备。
7.按照权利要求1所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于,
脉冲式激光器进行激光辐照的工艺参数如下:
每个脉冲作用的能量5~80J;
脉冲宽度为2~16ms;
脉冲频率为1~20Hz;
连续式激光器进行激光辐照的工艺参数如下:
功率密度103~106W/cm2;
输出功率为500~10000W。
8.按照权利要求所述的燃气轮机钛合金叶片激光硬面涂层工艺方法,其特征在于,激光辐照前,叶片和粉末经25℃~150℃烘干;激光辐照后,叶片件经400℃~1000℃真空处理2~5小时。
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