CN104109858A - 压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，以压气机转子叶片本体镍基高温合金粉末作为熔覆材料，在非环境箱保护下用同轴送粉方式，对转子叶片叶尖磨损部位局部加热和超快速冷却进行激光熔覆修复，在激光熔覆过程中，根据转子叶片叶尖截面的宽度测量结果，调节激光器在不同熔覆区域的激光功率来实现叶尖不同截面尺寸的激光熔覆，将激光功率变化范围设置为100W～300W，在保护气罩罩体径向氩气入口通入氩气，氩气通过保护气罩罩体底部氩气出口形成保护气幕，在叶尖进、排气处＜0.5mm宽度区域，采用激光功率为100W～120W的低激光功率进行熔覆；叶尖其它部位≥0.5mm的宽度区域，采用240W～300W高的激光功率进行熔覆。本发明修复成本低,修复后使用寿命长。

Description

压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法
技术领域
本发明涉及一种修复航空发动机高压压气机转子叶片叶尖磨损的方法。尤其是高温合金GH4169制造的高压压气机转子叶片叶尖磨损的修复方法。
技术背景
航空发动机压气机转子叶片叶尖与机匣的间隙是发动机性能的一个重要指标。间隙过大，导致叶尖气流泄漏和失稳，发动机效率明显降低。间隙过小容易导致转子与机匣的摩擦碰撞造成叶片断裂。因此，保持一个恰当的间隙对发动机来说十分重要。航空发动机工作300小时后大修检查结果表明，高压压气机转子叶片叶尖磨损严重，其中第5～8级叶片发生整级叶尖磨损，叶尖的磨损导致空气压缩比减小，压气机的工作效率大幅度降低。为此，必须针对叶尖磨损研究叶片叶尖接长修复技术。由于高压压气机转子叶片在每分钟高达14000转的工况下工作，属高转速、高应力、高风险部件，被许多修理工厂视为修理禁区。
现有技术高压压气机转子材料为GH4169，接长修复的常用材料为GH4169或IN718焊丝或粉末。高压压气机转子叶片叶尖磨损部位的修复采用常规的氩弧焊等方法，会导致基体热影响大，影响压气机转子叶片性能。同时，压气机转子叶片型面复杂，手工焊接难以实现仿形修复，而且进气边和排气边边缘只有0.35mm～0.50mm的厚度，手工焊接时容易出现咬边现象。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足之处,提供一种修复成本低,修复后使用寿命长，易于实现自动化和仿形修复航空发动机高压压气机转子叶片叶尖磨损的修复方法。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，以压气机转子叶片本体镍基高温合金粉末作为熔覆材料，在非环境箱保护下,通过喷嘴主体同轴送粉方式，对压气机转子叶片叶尖磨损部位局部加热和超快速冷却进行激光熔覆修复，在激光熔覆过程中，根据压气机转子叶片叶尖截面的宽度测量结果，调节激光器在不同熔覆区域的激光功率来实现叶尖不同截面尺寸的激光熔覆，将激光功率变化范围设置为100W～300W，在保护气罩罩体径向氩气入口通入氩气，氩气通过保护气罩罩体底部氩气出口形成保护气幕，在叶尖进、排气处＜0.5mm宽度区域，采用激光功率为100W～120W的低激光功率进行熔覆；叶尖其它部位≥0.5mm的宽度区域，采用240W～300W高的激光功率进行熔覆。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
热输入量少、热影响区小。本发明采用局部加热和超快速冷却的激光熔覆来进行修复，相比于现有技术等离子喷涂、等离子堆焊，具有对基材的热输入量少、热影响区小、修复组织细小和易于实现自动化和仿形修复等优点(如表1所示)。通过机械手编程技术实现自动化。
镍基高温合金粉末作为熔覆材料与基体材料有良好的相容性,热膨胀系数相近。金相检查结果表明,激光熔覆区与基体材料为冶金结合,界面无裂纹,无缺陷；激光熔覆组织为细小的胞枝晶组织。
表1 三种方法的对比
等离子喷涂 等离子堆焊(PTA) 激光熔覆
热源 等离子焰流 等离子焰流 激光
厚度 (0.05-0.5)mm (0.5-5)mm (0.1-2)mm
沉积效率 高 中 低
稀释率 0 5-15％ 小于5％
结合类型 机械结合 冶金结合 冶金结合
结合强度 低 高 高
热输入 低 高 中
孔隙率 小于5％ 100％致密 100％致密
修复成本低，本发明在非环境箱保护下用同轴送粉方式，对压气机转子叶片叶尖磨损部位进行局部加热和超快速冷却的激光熔覆修复，激光熔覆过程不用庞大的气氛保护箱，修复成本低，修复后的高压压气机转子叶片经过380小时长期试车考核后无掉块、裂纹等现象发生。可广泛应用于航空发动机高压压气机转子叶片的修复。
说明书附图
图1是激光熔覆喷嘴及其保护气罩的剖视结构示意图。
图中：1.喷嘴主体，2.保护气套，3.径向氩气入口，4.保护气罩，5.多孔铜片，6.氩气出口。
具体实施方式
参阅图1。发动机高压压气机5级转子叶片材料为GH4169，叶尖磨损长度为0.5mm。根据压气机转子叶片材料为镍基合金，采用IN178粉末作为熔覆材料，粉末粒度为(-100～+325)目。采用非环境箱保护的激光熔覆技术，对高压压气机转子叶片叶尖磨损部位进行修复。在大气气氛下采用同轴送粉方式进行激光熔覆，同轴送粉激光熔覆喷嘴主体1外部设置一个直径大约200mm,带有护气套2的氩气保护气罩4。保护气罩4罩体上制有径向氩气入口3，底部设有多孔铜片5，喷嘴从底部多孔铜片5伸出罩体，位于多孔铜片5下方的罩体底部设有氩气出口6。在熔覆过程中里面通入氩气，氩气流量为(10～20)L/min，在保护气罩的氩气入口通入氩气，氩气流量为15L/min，在出口处形成氩气保护气膜，从而防止熔覆过程中的氧化。氩气通过出口形成保护气幕防止熔覆过程熔覆层严重氧化。根据高压压气机转子叶片叶尖截面的宽度测量结果，调节激光器在不同熔覆区域的激光功率来实现叶尖不同截面尺寸的激光熔覆，激光功率变化范围为(100～300)W。低的激光功率实现叶尖进、排气处＜0.5mm宽度区域的熔覆；高的激光功率实现叶尖其他部分,≥0.5mm宽度区域的熔覆。熔覆的进、排气边＜0.5mm宽度区域激光功率为100W，其余部分≥0.5mm宽度区域熔覆的激光功率240W。高压压气机转子叶片叶尖熔覆高度最大为1mm。高压压气机转子叶片叶尖熔覆高度为0.5mm。修复后的高压压气机转子叶片经过380小时长期试车考核后，经荧光和X光检查无裂纹等故障，满足使用要求。

Claims (6)

1.一种压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，其特征在于包括如下步骤：
以压气机转子叶片本体镍基高温合金粉末作为熔覆材料，在非环境箱保护下,采用同轴送粉方式，对压气机转子叶片叶尖磨损部位局部加热和超快速冷却进行激光熔覆修复，在激光熔覆过程中，根据压气机转子叶片叶尖截面的宽度测量结果，调节激光器在不同熔覆区域的激光功率来实现叶尖不同截面尺寸的激光熔覆，将激光功率变化范围设置为100W～300W，在保护气罩罩体径向氩气入口通入氩气，氩气通过保护气罩罩体底部氩气出口形成保护气幕，在叶尖进、排气处＜0.5mm宽度区域，采用激光功率为100W～120W的低激光功率进行熔覆；叶尖其它部位≥0.5mm的宽度区域，采用240W～300W高的激光功率进行熔覆。
2.如权利要求1所述的压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，其特征在于：同轴送粉激光熔覆喷嘴主体(1)外部设置一个带有护气套(2)的氩气保护气罩(4)。
3.如权利要求2所述的压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，其特征在于：保护气罩(4)罩体上制有径向氩气入口(3)，底部设有多孔铜片(5)，喷嘴从底部多孔铜片(5)伸出罩体，位于多孔铜片(5)下方的罩体底部设有氩气出口(6)。
4.如权利要求1所述的压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，其特征在于：在熔覆过程中，通入氩气流量为10L/min～20L/min。
5.如权利要求1所述的压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，其特征在于：在熔覆过程中，通入氩气流量为15L/min。
6.如权利要求1所述的压气机转子叶片叶尖磨损的仿形修复方法，其特征在于：熔覆的进、排气边＜0.5mm宽度区域激光功率为100W，其余部分≥0.5mm宽度区域熔覆的激光功率240W。
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