CN104694921B - 控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置，其通过主动冷却装置主动冷却熔覆周围区域，特别是镍基单晶涡轮叶片的两侧外壁，增大了熔池沿垂直叶尖方向的温度梯度，从而增强单晶组织的外延生长能力，减小等轴晶的产生，实现单晶组织在多层熔覆过程中的连续生长，从而满足镍基单晶涡轮叶片叶尖磨损的接长修复要求。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆技术领域，尤其涉及一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置。
背景技术
航空发动机是整个航空工业的桂冠，而航空发动机涡轮叶片则被喻为桂冠上的明珠。航空发动机的整体效率与高温涡轮叶片的工作温度和高温性能直接相关。随着航空工业对于航空发动机要求的不断提高，航空发动机的工作温度从最初的550℃增加到现在的超过1200℃。这主要归功于航空发动机高温涡轮叶片的不断发展进步。从等轴晶叶片，发展到柱状晶叶片，以及后来的单晶叶片。高温涡轮叶片需要在高温高应力载荷的工作状态下长时间运转，其寿命直接影响着航空发动机的使用周期和维护费用。单晶涡轮叶片价格昂贵，每片单价可达3万美元。通过修复技术延长单晶涡轮叶片的使用寿命可以降低航空发动机维护费用，节约昂贵的材料，产生巨大的经济效益。
由于航空发动机高温涡轮叶片工作环境恶劣，其叶尖部位容易产生磨损、腐蚀、裂纹、材料缺失等缺陷。目前常见的叶片修复方法包括弧焊和激光熔覆。修复工艺步骤主要包括：叶片清洗、叶片尖端检测、裂纹清洗和打磨、弧焊或者激光熔覆修补、机加工余量和检测。在修补这一环节中，弧焊和传统的激光熔覆都难以修复单晶叶片。这主要难点在于难以实现基体单晶组织在修复区域内的连续生长。
镍基单晶高温合金的晶格是面心立方，具有外延生长特性(在一定温度梯度下，微观组织可沿着某个晶向一直生长)。在镍基单晶涡轮叶片叶尖表面上激光熔覆单晶镍基高温合金时，随着熔池的凝固，微观组织将以单晶叶片叶尖的晶向为外延生长方向进行生长。受熔池形状和温度梯度的影响，当单晶组织生长到一定高度时，等轴晶组织会出现并阻止单晶组织继续生长。多层熔覆过程中，等轴晶组织会阻断单晶组织进一步向上连续生长，并且在等轴晶与单晶组织之间会产生晶界，由于镍基单晶高温合金缺少晶界强化元素，一旦出现晶界，在较大的热应力下，晶界处极易出现裂纹并沿着晶界扩展延伸，直接影响修复后叶片的性能，难以满足单晶叶片的修复要求。
发明内容
本发明提供一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置，以使修复区域内能够得到完全的单晶组织，从而实现镍基单晶涡轮叶片的修复，保证修复后叶片的性能。
为了达到上述目的，本发明提供一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法，其通过主动冷却装置在激光熔覆镍基单晶涡轮叶片尖端时对所述镍基单晶涡轮叶片的两侧进行主动冷却，从而增强所述镍基单晶涡轮叶片轴向的温度梯度。
进一步的，所述主动冷却装置的具体工作方法包括：将氩气、空气经过空气压缩机后形成的高压气流接入涡流管，涡流管产生的低温气流通过冷却喷嘴在激光熔覆区域周围形成冷却流场，主动冷却镍基单晶涡轮叶片的两侧。
进一步的，所述空气压缩机的出口压力控制在20-25Mpa。
进一步的，所述涡流管产生的冷却气流温度控制在-30℃～-15℃。
进一步的，通过CCD或CMOS红外相机监测并记录激光熔池附近的温度分布，通过闭环反馈实时控制工艺参数，使得熔池凝固界面沿着竖直方向的温度梯度保持在1×107～1×109摄氏度/米以及激光熔池的尺寸保持在D：W：H＝1～1.5:4～5:2～3，其中D为基材熔化深度，W为熔池宽度，H为熔池高度。
本发明还提供一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的装置，所述装置即为上述主动冷却装置，所述主动冷却装置包括空气压缩机、涡流管和两个冷却喷嘴，所述空气压缩机的入口端通入气体，其出口端接入所述涡流管，所述两个冷却喷嘴均设置于激光熔覆装置中激光喷嘴的周侧，并与所述激光喷嘴随动，所述两个冷却喷嘴的一端均接入所述涡流管的出口端，所述两个冷却喷嘴的另一端分别对准所述镍基单晶涡轮叶片的两侧。
进一步的，所述冷却喷嘴的另一端均分别斜向下对准所述镍基单晶涡轮叶片的两侧靠近叶片的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置通过主动冷却装置主动冷却熔覆周围区域，特别是镍基单晶涡轮叶片的两侧外壁，增大了熔池沿垂直叶尖方向的温度梯度，从而增强单晶组织的外延生长能力，减小等轴晶的产生，实现单晶组织在多层熔覆过程中的连续生长，从而满足镍基单晶涡轮叶片叶尖磨损的接长修复要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明实施例提供的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置中主动冷却装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置中冷却喷嘴的结构示意图。
在图1和图2中，
1：空气压缩机；2：涡流管；3：冷却喷嘴；4：控制器；5：光纤激光发生器；6：送粉器；7：激光喷嘴；8：镍基单晶涡轮叶片；9：环境控制箱。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于，提供一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置，其通过主动冷却装置主动冷却熔覆周围区域，特别是镍基单晶涡轮叶片的两侧外壁，增大了熔池沿垂直叶尖方向的温度梯度，从而增强单晶组织的外延生长能力，减小等轴晶的产生，实现单晶组织在多层熔覆过程中的连续生长，从而满足镍基单晶涡轮叶片叶尖磨损的接长修复要求。
请参考图1和图2，图1为本发明实施例提供的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置中主动冷却装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置中冷却喷嘴的结构示意图。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法，其通过主动冷却装置在激光熔覆镍基单晶涡轮叶片8尖端时对所述镍基单晶涡轮叶片8的两侧进行主动冷却，从而增强所述镍基单晶涡轮叶片8轴向的温度梯度。
本发明提供的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法及装置通过主动冷却装置主动冷却熔覆周围区域，特别是镍基单晶涡轮叶片8的两侧外壁，增大了熔池沿垂直叶尖方向的温度梯度，从而增强单晶组织的外延生长能力，减小等轴晶的产生，实现单晶组织在多层熔覆过程中的连续生长，从而满足镍基单晶涡轮叶片8叶尖磨损的接长修复要求。
在本实施例中，所述主动冷却装置包括空气压缩机1、涡流管2和两个冷却喷嘴3，所述空气压缩机1的入口端通入气体，其出口端接入所述涡流管2，所述两个冷却喷嘴3均设置于激光熔覆装置中激光喷嘴7的周侧，并与所述激光喷嘴7随动，所述两个冷却喷嘴3的一端均接入所述涡流管2的出口端，所述两个冷却喷嘴3的另一端分别对准所述镍基单晶涡轮叶片8的两侧。
进一步的，所述冷却喷嘴3的另一端均分别斜向下对准所述镍基单晶涡轮叶片8的两侧靠近叶片位置，以使镍基单晶涡轮叶片8的两侧能够更好地形成冷却气流，增加其冷却效果。
所述主动冷却装置的具体工作方法包括：将氩气、空气经过空气压缩机1后形成的高压气流接入涡流管2，该高压气流在涡流管2中产生的低温气流，该低温气流通过冷却喷嘴3在激光熔覆区域周围形成冷却流场，主动冷却镍基单晶涡轮叶片8的两侧靠近叶片位置，氩气的使用保证了镍基单晶涡轮叶片8的熔覆环境不受外界的干扰。
进一步的，所述空气压缩机1的出口压力控制在20-25Mpa，所述涡流管2产生的冷却气流温度控制在-30℃～-15℃，以使其冷却效果达到最佳。
进一步的，同时通过CCD(Charge-coupled Device)或CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor)红外相机监测并记录激光熔池附近的温度分布，通过闭环反馈实时控制激光熔覆时的工艺参数，使得熔池凝固界面沿着竖直方向的温度梯度保持在1×107～1×109摄氏度/米以及激光熔池的尺寸保持在D：W：H＝1～1.5:4～5:2～3，其中D为基材熔化深度，W为熔池宽度，H为熔池高度，以增强单晶组织的外延生长能力。
在本实施例中，所述激光熔覆装置包括控制器4、光纤激光发生器5、送粉器6和激光喷嘴7，所述光纤激光发生器5发出的激光与送粉器6送出的镍基粉末共同通过所述激光喷嘴7对镍基单晶涡轮叶片8进行激光熔覆，所述控制器用于控制光纤激光发生器5和送粉器6工作，该激光熔覆装置的结构为现有技术，故在此便不再赘述。
进一步的，所述激光熔覆装置还包括环境控制箱9，所述镍基单晶涡轮叶片8的熔覆过程均在所述环境控制箱9中完成，所述环境控制箱中充有氩气以保证镍基单晶涡轮叶片8的熔覆环境不受外界的干扰。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法，其特征在于，通过主动冷却装置在激光熔覆镍基单晶涡轮叶片尖端时对所述镍基单晶涡轮叶片的两侧进行主动冷却，从而增强所述镍基单晶涡轮叶片轴向的温度梯度，所述主动冷却装置的具体工作方法包括：将氩气、空气经过空气压缩机后形成的高压气流接入涡流管，涡流管产生的低温气流通过冷却喷嘴在激光熔覆区域周围形成冷却流场，主动冷却镍基单晶涡轮叶片的两侧，所述冷却喷嘴的一端均接入所述涡流管的出口端，所述冷却喷嘴的另一端均分别斜向下对准所述镍基单晶涡轮叶片的两侧靠近叶尖的位置，通过CCD或CMOS红外相机监测并记录激光熔池附近的温度分布，通过闭环反馈实时控制工艺参数，使得熔池凝固界面沿着竖直方向的温度梯度保持在1×107～1×109摄氏度/米以及激光熔池的尺寸保持在D：W：H＝1～1.5:4～5:2～3，其中D为基材熔化深度，W为熔池宽度，H为熔池高度。
2.根据权利要求1所述的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法，其特征在于，所述空气压缩机的出口压力控制在20-25Mpa。
3.根据权利要求1所述的控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的方法，其特征在于，所述涡流管产生的冷却气流温度控制在-30℃～-15℃。
4.一种控制激光熔覆单晶合金过程中组织生长的装置，其特征在于，所述装置为如权利要求1-3中任一项所述的主动冷却装置，所述主动冷却装置包括空气压缩机、涡流管和两个冷却喷嘴，所述空气压缩机的入口端通入气体，其出口端接入所述涡流管，所述两个冷却喷嘴均设置于激光熔覆装置中激光喷嘴的周侧，并与所述激光喷嘴随动，所述两个冷却喷嘴的一端均接入所述涡流管的出口端，所述两个冷却喷嘴的另一端分别对准所述镍基单晶涡轮叶片的两侧，所述冷却喷嘴的另一端均分别斜向下对准所述镍基单晶涡轮叶片的两侧靠近叶尖的位置。
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