CN102107314B - 一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法 - Google Patents

Abstract

一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，具体是使用手工钨极氩弧焊，其具体工艺参数满足下述要求：焊丝选用：按照美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝和按照美国金属学会标准AMS5788研制的S-6钴基耐磨合金焊丝；直径分别为：φ1.6mm和φ1.2mm；钨极牌号和直径：WCe20 φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流：20A～25A，保护气体流量：10L/min～12L/min。本发明避免了“Z型齿”转接R处未焊透或过度熔化的情况，也解决了焊接过热问题，大大减少或避免焊接裂纹的产生几率。焊后完全满足耐磨层高温工作状态的要求。

Description

一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法

技术领域：

本发明涉及针对特型涡轮工作叶片叶冠的钨极氩弧焊工艺，特别提供了一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法。 

背景技术：

现有技术中，某型发动机低压涡轮Ⅰ～Ⅳ级工作叶片采用DZ417G定向凝固合金制造，叶片为无余量精密铸造成形，叶冠为“Z型齿”结构且某级涡轮叶片“Z型齿”具有小倾角、小阻尼面的特点。 

因为上述的某型发动机中低压涡轮Ⅰ～Ⅳ级工作叶片为无余量定向凝固叶片，该叶片叶冠为“Z型齿”结构，为有效减少叶片间磨损问题，通常在“Z型齿”阻尼面上堆焊耐磨合金层，这样使涡轮叶片工作寿命大大提高。一般来说，焊接耐磨合金的主要工艺方法有：钨极氩弧焊、真空钎焊、微束等离子焊、激光熔覆等。 

针对上述的特型叶片，现有技术主要有如下技术难点：首先，该叶片采用DZ417G合金铸造，从化学成分上看Al、Ti质量百分含量之和接近10％，大大超过了高温合金材料焊接性的允许值（6％），在堆焊过程中焊缝热影响区及其基体容易出现时效裂纹；其次，焊接加热熔化基体，使局部基体组织由定向凝固结晶转变为等轴晶，改变了基体组织结构并可能产生再结晶，必须在焊接工艺上加以控制和避免；第三，对于小倾角、小阻尼 面的“Ｚ型齿”结构增加了堆焊操作的难度。 

人们渴望获得一种可操作性强的涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，尤其要求针对以上3个技术难点获得预期的较好的技术效果。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种技术效果良好、可操作性强的涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法。 

本发明提供了一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，其特征在于：使用手工钨极氩弧焊，其具体工艺参数满足下述要求： 

焊丝选用：按照美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝和按照美国金属学会标准AMS5788研制的S-6钴基耐磨合金焊丝；直径分别为：φ1.6mm和φ1.2mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流：20A～25A，保护气体流量：10L/min～12L/min。 

本发明所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，优选还要求保护下述内容： 

所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法中，当进行堆焊叶冠“Z型齿”转接R处的操作时，焊丝选用按照美国金属学会标准AMS5788研制的S-6钴基耐磨合金焊丝，直径为φ1.2mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流20A，保护气体流量：10L/min～12L/min； 

当堆焊除了叶冠“Z型齿”转接R处之外的剩余堆焊面时，焊丝选用按 照美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝，直径为φ1.6mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流：25A，保护气体流量：10L/min～12L/min。 

所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法具体为手工钨极氩弧焊，其具体操作要求是： 

首先将低压涡轮叶片放置于与之配套的紫铜夹具上，以保证堆焊面与夹具紧密贴合；选用上述的φ1.2mm焊丝，将焊接电流调节至20A，钨极对准叶冠“Z型齿”堆焊面转接R处，利用电流调节踏板使电流在6A时起弧并迅速增大到焊接电流，采用横向摆动方式熔化焊丝填满转接R处，停弧后继续通氩气保护10 s～15 s，防止堆焊层氧化； 

然后改用φ1.6mm焊丝，将电流调节至25A，起弧后直接由堆焊处继续填充焊丝，采用不摆动或轻微横向摆动填满堆焊面各棱角，焊缝收尾时应逐渐衰减电流，填满弧坑，焊接时间控制在20s以内，避免基体过热；堆焊层厚度大于或等于2mm，保证机加工尺寸余量，停弧后继续通氩气保护10s~ 15s ，防止氧化。 

所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法中，焊前要求对被焊件进行下述预处理：首先固溶热处理1220℃±10℃，保温4.0h～4.5h，真空充氩气冷却； 

焊后采用机械打磨方式清理堆焊面及其周围15mm区域，包括棱边与堆焊面连接的表面； 

再用丙酮或酒精清理堆焊面及其周围区域，去除氧化物、油污及外来物。 

为了实现低压涡轮Ⅰ～Ⅳ级工作叶片叶冠耐磨层的堆焊，本发明有针对性的开展了一系列工艺试验和堆焊层性能评估试验。焊前对涡轮叶片采用固溶热处理，改善合金的焊接性；选用T800和S-6钴基合金焊丝进行对比试验，检验两种焊丝焊接工艺性；在焊接过程中采用小电流、快速焊，减少焊接热输入量、降低高温停留时间等工艺措施，减少或避免焊接裂纹的产生几率；针对小倾角、小阻尼面的“Z型齿”结构，在焊接操作上采用分二次堆焊操作和二种直径焊丝的方式，既避免了“Z型齿”转接R处未焊透或过度熔化的情况，也解决了焊接过热问题。焊后涡轮叶片叶冠耐磨层形貌（未机加工）如图1所示。 

焊后对堆焊接头进行金相检查和力学性能测试以及高温硬度的检测。最终，焊后荧光检查结果表明，堆焊层及热影响区无裂纹等缺陷；金相检查发现采用两种焊丝的堆焊层、熔合区和热影响区界限清晰、过渡良好，熔合区宽度基本一致，约为0.2mm，靠近堆焊层一侧为枝状晶组织，靠近基体一侧组织未发现有任何变化，从金相检查看，没有发现任何焊接冶金缺陷，也未发现再结晶现象；力学性能测试结果表明，室温拉伸、高温瞬时强度极限均满足涡轮工作叶片设计使用要求；高温硬度测试结果表明，采用两种焊丝的堆焊层硬度没有明显下降趋势，即耐磨层没有发生高温软化现象，完全满足耐磨层高温工作状态的要求。 

本发明特别适用于涡轮叶片叶冠“Z型齿”小倾角、小阻尼面的耐磨层焊接，经过严格试验，本发明可以预期地成功应用于某型低压涡轮工作叶片生产。随着该发动机涡轮工作叶片以及其它同类型叶片的批量生产，采用钨极氩弧焊方法堆焊的耐磨合金层必将得到广泛的应用。 

实验表明，采用钨极氩弧焊方法生产的某型涡轮工作叶片耐磨层，焊后经标准无损检验，未发现裂纹等焊接缺陷，经后续耐磨层机械加工，满足了设计尺寸要求。 

本发明采用手工钨极氩弧焊方法，其工艺适应性强、操作灵活方便、制造成本低廉，不受叶片尺寸和结构限制，但钨极氩弧焊工艺方法，属于局部加热方式，对于时效强化型高温合金焊后容易产生焊接裂纹等缺陷，因此本发明开展了一系列焊接工艺试验，优化工艺参数，控制堆焊时间，减少焊接热输入量，消除裂纹等缺陷的发生几率，特别针对小倾角、小阻尼面的“Z型齿”结构，采取了二种工艺参数完成堆焊过程，避免了“Z型齿”转接R处未焊透和过度熔化的情况。整个试验结果表明，本发明所采用工艺方法适用性强，可以满足Ⅰ～Ⅳ级工作叶片耐磨层堆焊的工艺性要求，焊后无损检验未发现裂纹等缺陷且堆焊层尺寸符合设计要求。同时，开展了堆焊耐磨层的性能评定试验，其性能评定结果表明，堆焊层与DZ417G合金叶片熔合状态优良，堆焊层及热影响区高温性能完全符合叶片实际工作状态。 

本发明的方法可应用于特型发动机低压涡轮工作叶片叶冠“Z型齿”耐磨层的堆焊，以及其它结构的航空发动机和燃气轮机叶片高温耐磨合金层 的焊接，技术成熟度高，具有广泛的应用前景。 

本发明采用了钨极氩弧焊方法堆焊耐磨层，其特点是：设备一次性投入小，技术成熟度高，不受环境场地限制，操作过程简单、灵活，不受叶片结构和尺寸限制；但此种工艺方法，属于局部加热方式，对于时效强化型高温合金焊后容易产生焊接裂纹等缺陷，因此开展了一系列焊接工艺试验，甄选高温耐磨合金焊丝，合理匹配工艺参数，优化堆焊操作方式，精确控制焊接时间，减少焊接热输入量，防止裂纹等缺陷的产生。同时，通过开展堆焊耐磨层的性能评定试验，用大量试验数据验证该焊接工艺的可行性。 

本发明采用手工钨极氩弧焊方法堆焊低压涡轮叶片叶冠耐磨层，实验效果表明本发明所述方法大大提高了航空发动机涡轮叶片工作寿命。此种方法尤其适用于航空发动机和燃气轮机涡轮叶片耐磨层的堆焊，而对于小倾角、小阻尼面的叶冠“Z型齿”堆焊耐磨层更具有技术和操作优势。随着航空发动机和燃气轮机涡轮工作叶片以及其它类型叶片的批量生产，采用钨极氩弧焊方法堆焊的耐磨合金层必将得到更为广泛的应用。 

附图说明：

图1为未机加工的焊后涡轮叶片叶冠耐磨层形貌图。 

具体实施方式：

实施例1一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法 

采用美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝，堆焊低压涡轮工作叶片叶冠（小倾角、小阻尼面“Z型齿”结构）耐磨层。本实施例的内容主要如下： 

1.焊前准备 

1.1固溶热处理：固溶热处理制度为升温至1220℃±10℃，保温4.0h～4.5h，真空充氩气冷却。 

1.2焊前清理：采用机械打磨方式清理堆焊面及其周围15mm区域，包括棱边与堆焊面连接的表面，用丙酮或酒精清洗焊丝、堆焊面及其周围区域，去除氧化物、油污及外来物。 

2.焊接设备调试 

2.1焊接设备检查：检查氩弧焊焊接电源高频引弧、电流递增、衰减、保护气预送和延时停止，焊枪导电部位应具有良好的导电性，电极夹紧牢固可靠，手柄应绝缘良好，喷嘴内装有保护气筛。焊枪应轻便、灵活、可达性好。钨极端头磨成平截锥或锥形，截锥直径约为钨丝直径的1/4～1/3。采用瓶装或管道输送的纯氩作为保护气体 

2.2焊接设备调试：采用直流正接电流特性并将焊接电流调节至20A，在紫铜垫板上进行起弧测试，确保电流在6Ａ左右时稳定起弧，避免焊接操作时电弧烧伤零件。起弧后通过电流调节踏板测试焊接电流范围，确认电弧燃烧稳定，不发生偏弧或断弧现象。 

3.钨极氩弧焊堆焊 

3.1堆焊工艺参数：集齐所有堆焊耐磨层的低压涡轮叶片和φ1.6mm和 φ1.2mm的T800焊丝。取出一件待堆焊耐磨层的涡轮叶片，放置于专用焊接夹具上，调整夹紧螺栓确保夹具与堆焊面贴合良好。 

分别堆焊叶冠“Z型齿”转接R处（按表1中的参数1）和剩余堆焊面（按表1中的参数2），具体堆焊工艺参数如表1所示。 

表1 

3.2堆焊操作技巧：此种小倾角、小阻尼面“Z型齿”叶冠，待焊处根部角度较小，约为60度，应首先选用直径为1.2mm的焊丝，在待焊处根部中央起弧，并逐渐增大焊接电流，当母材微熔时添加焊丝，形成焊缝，迅速填满根部，堆焊时焊枪横向摆动以便使根部堆焊层饱满熔合充分。待完成根部堆焊并停弧后，继续送气防止氧化，然后再更换直径为1.6mm的焊丝完成剩余堆焊部分，焊枪可不摆动或轻微摆动，焊缝收尾时应逐渐衰减电流，填满弧坑，熄弧后，焊枪应在收尾处停留10S～15S继续通氩气保护，防止焊件氧化和过热。堆焊时应确保填充材料与母材熔合良好，尽量减少熔合比、缩短堆焊时间，建议应将堆焊时间控制在20s以内完成，防止母材基体过热，引起裂纹。 

4.目视检查：焊后对焊件进行外观检验，堆焊层表面应呈现银白色的金属光泽，无夹钨、夹杂、未焊透以及咬边等表面缺陷。用测量工具检查堆焊层的尺寸，堆焊层厚度δ不小于2.0mm，并应覆盖住叶片阻尼面预制边的各棱角，以满足机加工对叶片尺寸的要求。堆焊层尺寸不足及外观缺陷 应及时补焊（不计为补焊次数）。 

5.机加工：焊后将叶冠耐磨层进行缓进磨加工，最终堆焊层尺寸应符合按设计要求。 

6.检验：对堆焊耐磨层部位进行荧光检验，具体缺陷尺寸和个数应符合工艺检验标准要求。 

实施例2一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法 

采用美国金属学会AMS5788标准研制的S-6钴基耐磨合金焊丝，堆焊低压涡轮工作叶片叶冠（“Z型齿”结构）耐磨层。 

本实例采用S-6钴基合金焊丝，其主要成分为Co-Cr-W合金。同实施例1相比，此种低压涡轮工作叶片叶冠“Z型齿”倾角超过90度，在焊接操作上相对容易，无需对转接R处根部进行单独堆焊，仅应用到实例1中参数2即可完成堆焊。焊后目视检查该堆焊层表面应呈银灰色金属光泽（取决于焊丝合金成分），其它焊后工序与实施例1完全相同。 

实施例3一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法 

一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，使用手工钨极氩弧焊，其具体工艺参数满足下述要求： 

焊丝选用：按照美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝和按照美国金属学会标准AMS5788研制的S-6钴基耐磨合金焊丝；直径分别为：φ1.6mm和φ1.2mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流：20A～25A，保护气体流量：10L/min～12L/min。 

具体而言，所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法中，当进行堆焊叶冠“Z型齿”转接R处的操作时，焊丝选用按照美国金属学会标准AMS5788研制的S-6钴基耐磨合金焊丝，直径为φ1.2mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流20A，保护气体流量：10L/min～12L/min； 

当堆焊除了叶冠“Z型齿”转接R处之外的剩余堆焊面时，焊丝选用按照美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝，直径为φ1.6mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流：25A，保护气体流量：10L/min～12L/min。 

所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法具体为手工钨极氩弧焊，其具体操作要求是： 

首先将低压涡轮叶片放置于与之配套的紫铜夹具上，以保证堆焊面与夹具紧密贴合；选用上述的φ1.2mm焊丝，将焊接电流调节至20A，钨极对准叶冠“Z型齿”堆焊面转接R处，利用电流调节踏板使电流在6A时起弧并迅速增大到焊接电流，采用横向摆动方式熔化焊丝填满转接R处，停弧后继续通氩气保护10 s～15 s，防止堆焊层氧化； 

然后改用φ1.6mm焊丝，将电流调节至25A，起弧后直接由堆焊处继续填充焊丝，采用不摆动或轻微横向摆动填满堆焊面各棱角，焊缝收尾时应逐渐衰减电流，填满弧坑，焊接时间控制在20s以内，避免基体过热；堆焊层厚度大于或等于2mm，保证机加工尺寸余量，停弧后继续通氩气保护 10s~15s ，防止氧化。 

所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法中，焊前要求对被焊件进行下述预处理：首先固溶热处理1220℃±10℃，保温4.0h～4.5h，真空充氩气冷却； 

焊后采用机械打磨方式清理堆焊面及其周围15mm区域，包括棱边与堆焊面连接的表面； 

再用丙酮或酒精清理堆焊面及其周围区域，去除氧化物、油污及外来物。 

为了实现低压涡轮Ⅰ～Ⅳ级工作叶片叶冠耐磨层的堆焊，我们有针对性的开展了一系列工艺试验和堆焊层性能评估试验。焊前对涡轮叶片采用固溶热处理，改善合金的焊接性；选用T800和S-6钴基合金焊丝进行对比试验，检验两种焊丝焊接工艺性；在焊接过程中采用小电流、快速焊，减少焊接热输入量、降低高温停留时间等工艺措施，减少或避免焊接裂纹的产生几率；针对小倾角、小阻尼面的“Z型齿”结构，在焊接操作上采用分二次堆焊操作和二种直径焊丝的方式，既避免了“Z型齿”转接R处未焊透或过度熔化的情况，也解决了焊接过热问题。焊后涡轮叶片叶冠耐磨层形貌（未机加工）如图1所示。 

焊后对堆焊接头进行金相检查和力学性能测试以及高温硬度的检测。最终，焊后荧光检查结果表明，堆焊层及热影响区无裂纹等缺陷；金相检查发现采用两种焊丝的堆焊层、熔合区和热影响区界限清晰、过渡良好，熔合区宽度基本一致，约为0.2mm，靠近堆焊层一侧为枝状晶组织，靠近基 体一侧组织未发现有任何变化，从金相检查看，没有发现任何焊接冶金缺陷，也未发现再结晶现象；力学性能测试结果表明，室温拉伸、高温瞬时强度极限均满足涡轮工作叶片设计使用要求；高温硬度测试结果表明，采用两种焊丝的堆焊层硬度没有明显下降趋势，即耐磨层没有发生高温软化现象，完全满足耐磨层高温工作状态的要求。 

Claims (3)

1.一种涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，使用手工钨极氩弧焊，其特征在于：所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法中，当进行堆焊叶冠“Z型齿”转接R处的操作时，焊丝选用按照美国金属学会标准AMS5788研制的S-6钴基耐磨合金焊丝，直径为φ1.2mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流20A，保护气体流量：10L/min～12L/min；

当堆焊除了叶冠“Z型齿”转接R处之外的剩余堆焊面时，焊丝选用按照美国GE公司B50TF193标准研制的T800钴基耐磨合金焊丝，直径为φ1.6mm；钨极牌号和直径：WCe20φ2.0mm；喷嘴直径：φ12mm，焊接电流：25A，保护气体流量：10L/min～12L/min。

2.按照权利要求1所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，其特征在于：所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法具体为手工钨极氩弧焊，其具体操作要求是：

首先将低压涡轮叶片放置于专用紫铜夹具上，以保证堆焊面与夹具紧密贴合；选用上述的φ1.2mm焊丝，将焊接电流调节至20A，钨极对准叶冠“Z型齿”堆焊面转接R处，利用电流调节踏板使电流在6A时起弧并迅速增大到焊接电流，采用横向摆动方式熔化焊丝填满转接R处，停弧后继续通氩气保护10s～15s，防止堆焊层氧化；

然后改用φ1.6mm焊丝，将电流调节至25A，起弧后直接由堆焊处继续填充焊丝，采用不摆动或轻微横向摆动填满堆焊面各棱角，焊缝收尾时应逐渐衰减电流，填满弧坑，焊接时间控制在20s以内，避免基体过热；堆焊层厚度大于或等于2mm，保证机加工尺寸余量，停弧后继续通氩气保护 10s～15s，防止氧化。

3.按照权利要求2所述涡轮工作叶片叶冠堆焊耐磨层的方法，其特征在于：焊前要求对被焊件进行下述预处理：首先固溶热处理1220℃±10℃，保温4.0h～4.5h，真空充氩气冷却；

焊后采用机械打磨方式清理堆焊面及其周围15mm区域，包括棱边与堆焊面连接的表面；

再用丙酮或酒精清理堆焊面及其周围区域，去除氧化物、油污及外来物。 

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