CN104801857A - 用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法 - Google Patents

Abstract

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，先将碳粉与水混合搅拌制成碳水悬浊液，再将涡轮叶片底端的孔塞紧，将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，然后将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充，再将涡轮叶片置于小于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，打完孔后，取出塞体，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将涡轮叶片吹干，本发明工艺简单、成本低。

Description

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮叶片技术领域，特别涉及一种用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法。

背景技术

用作燃气轮机涡轮叶片，工作在高速旋转与高温燃气作用的环境中，承受着巨大的离心力和氧化、腐蚀等作用。那些被激光损伤的后壁位置易被腐蚀或形成应力中心而降低叶片使用寿命，因此需要对后壁进行激光防护。

目前，激光防护技术主要是针对人眼和光学传感器的抗激光加固，其防护原理有基于线性光学原理的激光防护技术、基于非线性光学原理的激光防护技术、基于相变原理的激光防护技术，基于线性光学原理的激光防护技术是在镜片上镀一层膜以选择性的地提高对某一波长光线的反射率，此种方法只适用于镜片，而不适用于涡轮叶片；基于非线性光限幅原理的激光防护技术所用的材料主要有贵金属纳米粒子(如Ag、Au、Pt等纳米粒子)、石墨烯、碳纳米管以及有机非线性材料(如酞菁、卟啉、噻吩等)，其共同缺点是制备工艺复杂，成本高，纳米粒子还易团聚，有机物的热稳定性差等。此外，也有吸收激光能量后被烧蚀的激光防护技术，烧蚀后为残留的碳或硅的粘结物，但涡轮叶片迷宫式结构使得烧蚀残留物难以取出，影响涡轮叶片后续的使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，工艺简单、成本低。

为达上述目的，本发明采取的技术方案是：

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，包括以下步骤：

1)将粒径范围1～20μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为3％～62％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于低于-3℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于小于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将涡轮叶片吹干。

所述的脉冲式激光打孔的工艺参数为频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW。

本发明的有益效果：

防护材料制备工艺简单易行，成本低；防护材料初始状态为液态，使得防护材料的填充不受流道复杂结构的影响，填充过程容易。

激光在穿透前壁后，受到后壁前冰晶粒与碳粉的散射作用，使得辐照在后壁的激光光斑变大；同时碳粉颗粒强烈地吸收激光，吸收的激光能量转换成热能，然后将热能传递给其周围的冰晶粒。使得辐照在后壁的能量极大地衰减，这样辐照在后壁的激光能量密度变小，从而消除激光对后壁的损伤。

冰在高于0℃的环境下即可融化，因而防护材料去除容易。

附图说明

图1为本发明实施例1防护示意图。

图2为本发明实施例1后壁7上易烧蚀点6没有损伤的图片。

图3为本发明实施例1的对照实验，没有冰—碳粉混合物5时，后壁7上易烧蚀点6有损伤的图片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例1

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，包括以下步骤：

1)将粒径范围1～6μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为62％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于温度为-12℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于-3℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

本实施例的效果：参照图1，激光器1发出的激光束2穿过涡轮叶片前壁4的气膜冷却孔3，通过混有冰—碳粉混合物5后到达后壁7，参照图2，后壁7上易烧蚀点6没有损伤；作为对照组，没有冰—碳粉混合物5时，后壁7上的易烧蚀点6有损伤，如图3所示。

实施例2

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，包括以下步骤：

1)将粒径范围9～17μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为3％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-3℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于小于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

本实施例的有益效果:使用显微镜观察气膜孔，没有发现碳粉颗粒堵塞的现象，后壁上易烧蚀点没有损伤。

实施例3

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，包括以下步骤：

1)将粒径范围5～10μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为20％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-8℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于-4℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

本实施例的有益效果:使用显微镜观察气膜孔，没有发现碳粉颗粒堵塞的现象，后壁上易烧蚀点没有损伤。

实施例4

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，包括以下步骤：

1)将粒径范围15～20μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为9％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-10℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于-5℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

本实施例的有益效果:使用显微镜观察气膜孔，没有发现碳粉颗粒堵塞的现象，后壁上易烧蚀点没有损伤。

实施例5

用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，包括以下步骤：

1)将粒径范围6～9μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为40％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-5℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于低于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

本实施例的有益效果:使用显微镜观察气膜孔，没有发现碳粉颗粒堵塞的现象，后壁上易烧蚀点没有损伤。

Claims (7)

1.用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将粒径范围1～20μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为3％～62％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于低于-3℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于小于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将涡轮叶片吹干。

2.根据权利要求1所述的用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于：所述的脉冲式激光打孔的工艺参数为频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW。

3.根据权利要求1所述的用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将粒径范围1～6μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为62％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于温度为-12℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于-3℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

4.根据权利要求1所述的用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将粒径范围9～17μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为3％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-3℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于小于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

5.根据权利要求1所述的用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将粒径范围5～10μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为20％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-8℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于-4℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

6.根据权利要求1所述的用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将粒径范围15～20μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为9％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-10℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于-5℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。

7.根据权利要求1所述的用冰—碳粉混合物作为涡轮叶片激光加工的后壁防护方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将粒径范围6～9μm的碳粉颗粒与水混合搅拌制成碳的质量分数为40％的碳水悬浊液；

2)将涡轮叶片底端的孔用橡胶塞塞紧，然后将碳水悬浊液通过涡轮叶片顶端的孔灌入叶片流道，直至灌满为止；

3)将灌满碳水悬浊液的涡轮叶片置于为-5℃的冷冻室内冷冻，待涡轮叶片碳水悬浊液中的水凝固成冰后，即完成了防护材料的填充；

4)将涡轮叶片置于低于0℃的环境中，采用脉冲式激光辐照打孔，脉冲式激光打孔的工艺参数为：频率70Hz，脉宽0.2ms，峰值功率16KW；

5)打完孔后，取出橡胶塞，将涡轮叶片浸入沸水中，待冰融化后，通过涡轮叶片顶端的孔，用流水将叶片流道内的残余碳粉冲出，待碳粉完全被冲出后，用热风将叶片吹干。