CN1026219C - 航空叶片表面激光仿形熔铸加工之工艺方法 - Google Patents

Abstract

本方法为一种对航空叶片易磨损表面进行预防或恢复尺寸处理的激光仿形熔铸加工方法，其一般工艺流程为(1)熔铸的叶片表面进行预处理；(2)预热处理；(3)均匀涂布确定高度的合金粉末；(4)激光辐照熔铸加工和(5)后续热处理，其特点是装上粉末胎具，将粉末仿形胎具置于待处理工件上。按此方法处理的叶片优点是：合金粉末利用率高，粉末的光吸收能力强和光能利用率高，采用低功率光束就可获得厚度较高的熔铸层、并且铸层性能好，接合强度高、耐磨、抗腐蚀。

Description

本发明涉及一种对航空叶片易磨损表面进行预防护或恢复尺寸处理的激光仿形熔铸加工方法。

目前航空切动机叶片通常是用高温合金制作，是燃气轮机的关键部件，叶片之叶尖与外环间或叶片之叶冠相互间的密封状态直接影响着发动机的动力性能和飞机的一次飞行寿命等。在发动机服役过程中叶片受到高温燃气的侵蚀，同时遭受到外密封环对叶尖或叶冠相互间相对摩擦，使叶片之叶尖或叶冠部发生严重腐蚀与摩损，尺寸减小，间隙增大，由此导致漏气和叶身剧烈振动，引起燃烧室温度上升，动力性能下降，甚至发生机毁人亡事故，为提高航空发动机的动力性能和一次飞行寿命，节约叶片的制造费用，需要对叶片易磨损伤部位事先进行表面改性处理或对已磨损了的部位进行尺寸恢复加工处理，但航空叶片的叶尖或叶冠部几何形状复杂，壁薄且叶身存在有多孔与防护涂层和工作环境荷刻等特点，传统的等离子喷涂（焊）弧焰焊，高温扩散焊等工艺由于其固有的涂层结合强度低，易剥落或较大输入热量引起叶片基体较大的热损伤，或需要使叶片整体加热到较高的温度引起叶片组织结构与表面涂层的改变等局限性而受到限制。近年来美国CE公司、德国MUT公司开始采用激光表面熔敷技术进行叶片、叶尖和叶冠的修复，它的主要技术内容：

1、熔敷材料为粉态或丝状，是采用喷涂法或粘接剂法或机械喂送法旋到待激光幅照的表面;

2、粉末材料为Stellite;

3、材料的熔敷是采用数千瓦的高功率CO₂激光器，光束功率密度B10Kw/cm²以上;

4、熔敷层的厚度为1.0mm左右。

目前国内采用激光熔敷的曲型应用件有内燃机排气阀，是采用送粉装置喂送或采用有机胶或无机盐为粘结剂，将粉末置覆于阀门上的刻槽中，其缺点是氧量与碳量的增高，同时引起粉末活性的降低和比能的升高;直接送粉到激光幅照区方法对于薄壁件很难得到大于0.8mm较厚的均匀覆层等。

为解决以上之不足，基于航空叶片的特点，提供一种激光表面仿形熔铸之加工工艺方法，从而对服役前后的叶片的叶冠或叶尖以及其它部位进行了预涂层或尺寸修复。

本发明特征在于在加工过程中预处理后装上粉末仿形胎具，将粉末仿形胎具置于待处理工件上，一般工艺流程如下：

1）待熔铸的叶片表面进行预处理

将其叶片清棱边，使表面见光，然后去油污，再作超声波漂洗，最后进行干燥;

2）预热处理：将修复的工件放入加热炉中，进行预热处理，要求：叶片温度200℃～350℃，粉末温度50～150℃，时间皆为10～30分钟;

3）均匀涂布确定高度的合金粉末：此合金粉末含有适量的稀土化合物添加剂、有较高的自熔性，造渣性和流动性。对叶片的叶尖部和叶冠部的熔铸采用不同的粉末材料，粉末材料为ICP-01（CoCrW型，含有0.8wt%R₂O₃），ICP-02（CoCrW型0.4wt%R₂O₃）粒度为150目～320目。

4）激光辐照熔铸加工

（1）预热的叶片被迅速地被置到处在微机控制二维工作台面上的叶片专用夹具上，光束辐照轨迹是由可见光和机械法互补校正;

（2）在大气下或在惰性气体或氢气与惰性气体混合气氛下激光光束B对加工表面垂直辐照熔铸成型加工;

（3）激光熔铸加工参数为：

功率0.3～1.0kw，扫描速度2.0～10mm/sec;

功率密度5～10×1Kw/cm²;

5）后续热处理：将熔铸加工后的叶片迅速地送入炉中稳定化处理，炉温：450～700℃，气氛：真空，空气或N₂或惰性气体。

具体工艺如实施例给出。

本发明之实施例

实施例1

叶片的平行冠表面的激光熔铸加工，叶冠几何为棱形，其内侧为铸造弧坡面，壁厚2.0mm，长度2.5mm。选用CO₂连续横流激光器（入，10.6mm，多模），粉末材料为ICP-01（CoCrW型，含有0.8wt%R₂O₃-200目）装上平行冠的粉末胎具，并置于300℃箱式炉内预热，15分钟后取出，迅速地置在该种叶片的专用夹具上，经He-Ne光验证待加工表面与光束位置无误后，涂布上0.5mm厚的粉末，即启动气廉和光栏辐照，在微机控制下的工作台带动叶片按确定轨迹运动，从而完成激光连续熔铸过程，并获得厚度为0.8mm，长为26mm，宽为2.0mm的耐磨合金铸层。

激光功率550W，扫描速度3.3mm/sec

保护气体，空气，后续保温450°6小时。

合金铸层检测（1）全相：细密的枝晶组织，微米级第二相，无孔洞疏松和缩孔，（2）结合介面：无假焊与夹层，过渡区宽度2～5μm，（3）硬度HV100g600～700。

实施例2

叶片的叶尖端面的激光熔铸加工：叶尖端面几何形状类同与空心机翼的截面状，其周边壁厚为0.5到1.2mm变动尺寸，两壁之间的间距最小1mm左右，最大10mm左右，并且在其邻近有无数细小的通气孔，叶身有较大的扭转角。选用CO₂连续横流激光器（入10.6mm，多模），粉末材料为ICP-02（CoCrW型0.4wt%R₂O₃-320目）装上叶尖的粉末胎具，置于350℃炉中，预热30分钟后取出，直接插入此种叶片的专用夹具上，经He-Ne光和机械指示针最终校正光束辐照轨迹与叶尖形状相吻合后，涂布1.0mm厚的粉末，即启动气廉和光栏辐照，借微机控制下工作台带动叶片运动完成激光连续熔铸过程，由此获得厚约1.5mm，宽约0.7～1.3mm的强度较高的耐磨抗蚀合金铸层。

激光功率    450W，扫描速度3.0mm/sec

保护气体Ar气和H₂的混合气体

后续保温700℃    20小时。

合金铸层检测

金相：细密的枝晶组织，无明显的第二相，无孔洞与疏松;

结合界面：无假焊与夹层，过渡区宽度为4～8μm

硬度    HV100g    500～600。

本发明之优点：加工工艺方法简单，合金粉末利用率高;粉末的光吸收能力和光能的利用率高，总的光能量输入为数百瓦就能形成宽3.0mm，高1.5mm之内的熔铸层，可以获得比预置粉末的厚度更高的熔铸层，同时可实现对数百微米厚的薄壁端表面上熔铸加工处理，性能好，稳定、抗腐蚀、寿命长。

Claims (2)

1、一种航空叶片表面激光仿形熔铸加工之工艺方法，其特征是在加工过程中装上粉末仿形胎具，将粉末仿形胎具置于待处理工件上。

2、按权利要求1所述之工艺方法，其特征在于均匀涂布确定高度的合金粉末为含有适量的稀土化合物添加剂，粉末材料为ICP-01（CoCrW型，含有0.8wt%R₂O₃），ICP-02（CoCrW型0.4wt%R₂O₃），粒度为150目～320目。