CN108754490A - 高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复装置及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空零件再制造修复技术领域，尤其涉及到高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复装置及应用方法。首先对涡轮盘破损表面进行清理，除去破损残渣等，通过逐点扫描零件表面，生成数值模型，再通过三维软件在计算机上生成完整的零件三维模型，与原三维模型进行对比，确定各点位置及相关的尺寸，首先利用短脉冲激光对缺口部位进行冲击强化处理，细化缺口部位材料组织，提高缺口处的结合性，再利用双激光束对受损部位进行修复，其中第一束连续脉冲作为热源熔融金属粉末对涡轮盘的榫齿等破损部位进行修复，而第二束短脉冲激光直接作用到高温激光熔敷金属表面。根据修复榫槽的变截面尺寸改变脉冲宽度，控制宏观变形。

Description

高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修 复装置及应用方法

技术领域

本发明涉及航空零件再制造修复技术领域，尤其涉及到高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复装置及应用方法。

背景技术

作为飞机的关键部件-心脏，航空发动机是飞机正常工作的动力来源，而涡轮盘作为飞机发动机的重要零部件，对飞机的性能起着重要的作用。发动机在服役过程中，不断地起动和停车，使涡轮盘受到复杂的循环载荷作用，十分容易出现疲劳失效、蠕变/断裂等故障，从而在很大程度上威胁着飞机工作的安全性。而航空发动机的使用成本、维护费用及其可靠性等与发动机的断裂关键部件-涡轮盘息息相关，涡轮的正常工作是发动机乃至飞机整机正常服役的重要保障，其在工作过程中常常伴随高频振动，其接触区域应力水平最高。

尤其榫接部分通常处于高载荷、高转速的恶劣工作环境下，是极易引发航空发动机故障的位置之一。叶片榫头与轮盘榫槽的接触部位是微动疲劳产生的敏感区域，容易出现涡轮榫槽榫齿断裂、破损、裂纹等。特别的，涡轮的工作条件非常恶劣，因此采用了性能优异但价格十分昂贵的镍基高温合金材材及复杂的制造工艺，因而成本很高，由于涡轮盘榫齿部位形状复杂，尺寸较小，榫齿与榫齿间的空间小，要对其破损部位进行修复，存在很大的技术难题，因而传统的处理方式一般是涡轮盘整体更换，耗费时间、人力、财力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置及应用方法，通过设置提供了一种能对其破损部位进行快速修复的装置，节省了人力财力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置，所述装置包括用于修复的涡轮盘、机械手臂、扫描装置、处理器、激光冲击强化模块、熔覆模块、温度感应模块、在线监控系统以及总控制器，所述总控制器与处理器、激光冲击强化模块、熔覆模块、温度感应模块、在线监控系统均电连接，所述处理器与扫描装置电连接，所述涡轮盘安装于机械手臂上。

优选地，所述激光冲击强化模块包括电连接的锻打激光器和锻打激光头，所述总控制器设有与锻打激光器电连接的激光冲击锻打控制模块。

优选地，所述熔覆模块包括送粉头、送粉控制模块、熔覆激光控制模块以及激光熔覆头，所述总控制器、送粉控制模块、送粉头顺次电连接；所述总控制器、熔覆激光控制模块、激光熔覆头顺次电连接。

优选地，所述装置包括用于将涡轮盘安装于机械手臂上的专用夹具。

优选地，所述装置包括用于给送粉头储存粉末的储粉罐。

本发明还提供一种根据所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的应用方法，具体步骤如下：

（1）清理涡轮受损部位的表面，并打磨受损缺陷部位使受损部位没有残渣；

（2）在步骤（1）之后，使用专用夹具把涡轮盘固定在机械手臂上，再利用扫描装置扫描涡轮盘表面，并在处理器上建立受损涡轮盘的三维模型，通过对比完好的涡轮盘的三维模型确定受损部位尺寸；

（3）在步骤（2）之后，根据受损部位尺寸、形状，根据受损部位尺寸、形状对零件受损区域进行切片处理，然后采用有限元的方法进行冲击强化仿真获得残余应力场随路径变化的规律，根据零件的结构特征确定规划激光熔覆、激光冲击强化的路径及激光冲击强化不同部位的功率密度、光斑大小、激光脉冲宽度、光斑搭接率的参数，从而规划激光熔覆和激光冲击强化的路径；

（4）在步骤（3）之后，通过处理器确定激光器参数并发出指令至总控制器的激光冲击锻打控制模块，控制锻打激光器发出激光光束到锻打激光头对需要修复的受损部位利用短脉冲激光进行一次激光冲击强化，控制机械手臂运动，同时控制激光器的入射光斑的角度、位置、位移量，保持激光最佳的入射角；

（5）在步骤（4）之后，根据受损部位尺寸，通过总控制器的送粉控制模块控制送粉头同步送粉和保护气体，同时总控制器的熔覆激光控制模块控制连续激光发生器发出激光束至激光熔覆头进行熔覆；

（6）在步骤（5）之后，通过温度感应模块实时监控熔覆层的温度变化；将温度数据反馈给处理器，当温度达到最佳锻打温度时，总控制器发出指令控制锻打激光头发出短脉冲激光束对熔覆层进行锻打，控制机械手臂运动的同时控制激光器激光光斑入射角度、位置、位移量，保持激光最佳的入射角，同时通过总控制器的各个模块间相互耦合影响实时改变各个激光头及送粉送气装置的参数；

（7）在步骤（6）之后，通过在线监控系统监测熔融层的尺寸变化，以改变下一层的激光熔覆头的移动速度和送粉头的送粉量及移动速度等参数，进而改变熔覆层的厚度，重复步骤（5）、（6），直至达到完好的涡轮盘的尺寸要求。

这种方法可以克服涡轮盘榫槽部位变截面，尺寸小的问题，提供一种变脉宽，应力分布精确可控的锻打方式。而一般的修复技术都只采用一束连续激光进行激光熔覆进行修复，当激光熔覆后，由于热影响，材料内部晶粒粗大，并形成残余拉应力以及裂纹、气孔，崩损、脱离、局部未熔合等问题，而采用激光强化—激光熔覆—变激光脉冲宽度及不等应力分布激光锻打的方法，减少了激光熔覆前金属粉末与缺口的融合性差的问题，激光熔覆后产生的内部缺陷，细化了晶粒，消除了内应力，同时最主要的是解决了由于涡轮盘尺寸小，榫槽过渡区形状曲率复杂的问题而引起微观形变裂纹问题，重构应力分布和细化晶粒，并控制修复区域的宏观变形，大幅度提高涡轮盘榫齿破损部位修复后的机械性能；无需消除内应力、变形和提高机械力学性能的后处理工艺，节约了大量时间和大幅降低了涡轮盘的维修成本。

优选地，在步骤（5）中，总控制器的熔覆激光控制模块控制激光熔覆头进行熔覆镍基高温合金粉末的熔覆。

优选地，在步骤（6）中，最佳锻打温度的温度范围为800°C~1000°C。

进一步地，两束激光耦合影响是通过计算机和总控制器中的两个激光的控制模块，当第一束连续激光熔覆金属粉末时，根据温度传感器的数据以及激光熔覆的速率，在最佳的温度范围内控制第二束短脉冲激光进行锻打，同时短脉冲激光的锻打速率影响着连续激光熔覆的速率，反之亦然，形成闭环系统。

本发明的有益效果是

首先在修复前，对缺口处进行一次激光冲击强化，细化材料组织提高缺口的结合性，然后在传统的激光熔积成型的基础上加入激光冲击锻打，利用激光冲击的冲击波力学效应，改善修复区表面的材料组织和残余应力水平，减少熔覆过程中的气孔，缺陷等，同时根据涡轮盘的形状曲率，不同部位的不同特征，精确的控制短脉冲激光的脉冲宽度，采取变应力分布的锻打方式，即采用控制激光功率密度、激光光斑大小来进一步控制激光脉冲宽度，同时采用特殊的光斑搭接率和布置方式来进行激光锻打，消除修复区域的宏观变形，以及微观变形引起的微观变形裂纹问题，提高晶粒细化程度，重构修复区域的应力分布，提高零件使用寿命和机械性能，有利于破损零件的再制造、再利用，节省维修成本，提高修护效率，延长零件的全寿命周期。该变脉冲宽度变应力分布锻打的方法对于提升涡轮盘的性能有很好的效果。

附图说明

图1为小尺寸变截面涡轮盘榫齿损伤复合修复实施例的装置结构简图；

图2为小尺寸变截面涡轮盘榫槽局部结构示意图；

图3为小尺寸变截面涡轮盘的示意图

图4为小尺寸变截面涡轮盘榫齿损伤复合修复实施例的工作原理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

如图1至4为一种高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置的实施例，装置包括用于修复的涡轮盘2、机械手臂1、处理器14、激光冲击强化模块7、熔覆模块8、温度感应模块9、在线监控系统10以及总控制器11，总控制器11与处理器14、激光冲击强化模块7、熔覆模块8、温度感应模块9、设有测量系统的在线监控系统10均电连接，处理器14与在线监控系统10电连接，涡轮盘2安装于机械手臂1上。具体地，在线监控系统10设有三维测量系统，处理器14为计算机。

其中，激光冲击强化模块7包括电连接的锻打激光器71和锻打激光头72，总控制器11设有与锻打激光器71电连接的激光冲击锻打控制模块。

另外，熔覆模块8包括送粉头81、送粉控制模块、熔覆激光控制模块以及激光熔覆头82，总控制器11、送粉控制模块、送粉头81顺次电连接；所述总控制器11、熔覆激光控制模块、激光熔覆头82顺次电连接。

另外，装置包括用于将涡轮盘2安装于机械手臂1上的专用夹具12。

本发明还提供一种高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的应用方法，具体步骤如下：

（1）清理涡轮盘2受损部位的表面，并打磨受损缺陷部位使受损部位没有残渣；

（2）在步骤（1）之后，使用专用夹具12把涡轮盘固定在机械手臂1上，再利用扫描装置扫描涡轮盘表面，并在处理器14上建立受损涡轮盘2的三维模型，通过对比完好的涡轮盘的三维模型确定受损部位尺寸；

（3）在步骤（2）之后，根据受损部位尺寸、形状，规划激光熔覆和激光冲击强化的路径；

（4）在步骤（3）之后，通过处理器14确定激光器参数并发出指令至总控制器11的激光冲击锻打控制模块，控制锻打激光器71发出激光光束到锻打激光头72对需要修复的受损部位利用短脉冲激光进行一次激光冲击强化，控制机械手臂（1）运动，同时控制激光器的入射光斑的角度、位置、位移量，保持激光最佳的入射角；

（5）在步骤（4）之后，根据受损部位尺寸，通过总控制器11的送粉控制模块控制送粉头7同步送粉和保护气体，同时总控制器11的熔覆激光控制模块控制激光熔覆头8进行熔覆；

（6）在步骤（5）之后，通过温度感应模块9实时监控熔覆层的温度变化；将温度数据反馈给处理器14，当温度达到最佳锻打温度时，总控制器11发出指令控制锻打激光头72发出短脉冲激光束对熔覆层进行锻打，控制机械手臂1运动的同时控制激光器激光光斑入射角度、位置、位移量，保持激光最佳的入射角，同时通过总控制器的各个模块间相互耦合影响实时改变各个激光头及送粉送气装置的参数；

（7）在步骤（6）之后，通过在线监控系统10监测熔融层的尺寸变化，以改变下一层的激光熔覆头82的移动速度和送粉头81的送粉量及移动速度等参数，进而改变熔覆层的厚度，重复步骤（5）、（6），直至达到完好的涡轮盘的尺寸要求。

其中，在步骤（5）中，总控制器11的熔覆激光控制模块控制激光熔覆头8进行熔覆镍基高温合金粉末的熔覆。

具体步骤如下：

本发明还提供一种根据所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复方法，具体步骤如下：

1）清理涡轮盘受损部位的表面，并打磨受损缺陷确保使受损部位没有残渣；

2）用专用夹具把涡轮盘装夹在机械手臂上，再利用三维扫描装置扫描涡轮盘表面，并在计算机上建立受损涡轮盘的三维模型，通过对比完好的涡轮盘的三维模型确定受损部位形状、尺寸；

3）根据受损部位的形状、尺寸，通过计算机规划复合修复路线；

4）对需要修复的受损部位利用短脉冲激光进行一次激光冲击强化，通过总控制器精确控制机械手臂，使得涡轮盘榫齿待修复部位与激光保持最佳的入射角度；

5）总控制器中的送粉控制模块精确控制送粉头送粉，同时连续激光控制模块控制激光器发射连续激光熔融镍基高温合金粉末；

6）在进行5）的同时，温度感应器监控熔融区温度变化，将实时采集的温度数据传递给总控制器，当温度达到最佳锻打温度区间时，第二束短脉冲激光对熔融区进行同步激光冲击锻打。保证送粉速率、熔覆速率和锻打速率精确匹配，当锻打区域的形状较为复杂时，自动控制熔覆和送粉的速率，两束激光耦合影响，形成闭环系统；

7）通过在线监控系统实时监测熔融层的尺寸，形状的变化，以改变激光熔覆的速度和送粉管的送分量，进而改变熔覆层的厚度，同时改变激光冲击锻打的速度，重复步骤5）、6），以达到原始尺寸的要求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置，其特征在于，所述装置包括用于修复的涡轮盘（2）、机械手臂（1）、扫描装置、处理器（14）、激光冲击强化模块（7）、熔覆模块（8）、温度感应模块（9）、在线监控系统（10）以及总控制器（11），所述总控制器（11）与处理器（14）、激光冲击强化模块（7）、熔覆模块（8）、温度感应模块（9）、在线监控系统（10）均电连接，所述处理器（14）与扫描装置电连接，所述涡轮盘（2）安装于机械手臂（1）上。

2.根据权利要求1所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置，其特征在于，所述激光冲击强化模块（7）包括电连接的锻打激光器（71）和锻打激光头（72），所述总控制器（11）设有与锻打激光器（71）电连接的激光冲击锻打控制模块。

3.根据权利要求2所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置，其特征在于，所述熔覆模块（8）包括送粉头（81）、送粉控制模块、熔覆激光控制模块以及激光熔覆头（82），所述总控制器（11）、送粉控制模块、送粉头（81）顺次电连接；所述总控制器（11）、熔覆激光控制模块、激光熔覆头（82）顺次电连接。

4.根据权利要求3所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置，其特征在于，所述装置包括用于将涡轮盘（2）安装于机械手臂（1）上的专用夹具（12）。

5.根据权利要求3所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的装置，其特征在于，所述装置包括用于给送粉头（81）储存粉末的储粉罐（83）。

6.一种根据权利要求4所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复的应用方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）清理涡轮盘（2）受损部位的表面，并打磨受损缺陷部位使受损部位没有残渣；

（2）在步骤（1）之后，使用专用夹具（12）把涡轮盘固定在机械手臂（1）上，再利用扫描装置扫描涡轮盘表面，并在处理器（14）上建立受损涡轮盘（2）的三维模型，通过对比完好的涡轮盘的三维模型确定受损部位尺寸；

（3）在步骤（2）之后，根据受损部位尺寸、形状，根据受损部位尺寸、形状对零件受损区域进行切片处理，然后采用有限元的方法进行冲击强化仿真获得残余应力场随路径变化的规律，根据零件的结构特征确定规划激光熔覆、激光冲击强化的路径及激光冲击强化不同部位的功率密度、光斑大小、激光脉冲宽度、光斑搭接率的参数，从而规划激光熔覆和激光冲击强化的路径；

（4）在步骤（3）之后，通过处理器（14）确定激光器参数并发出指令至总控制器（11）的激光冲击锻打控制模块，控制锻打激光器（71）发出激光光束到锻打激光头（72）对需要修复的受损部位利用短脉冲激光进行一次激光冲击强化，控制机械手臂（1）运动，同时控制激光器的入射光斑的角度、位置、位移量，保持激光最佳的入射角；

（5）在步骤（4）之后，根据受损部位尺寸，通过总控制器（11）的送粉控制模块控制储粉罐（84）和储气罐（83）给送粉头（7）同步送粉和保护气体，同时总控制器（11）的熔覆激光控制模块控制连续激光发生器（85）发出激光束至激光熔覆头（8）进行熔覆；

（6）在步骤（5）之后，通过温度感应模块（9）实时监控熔覆层的温度变化；将温度数据反馈给处理器（14），当温度达到最佳锻打温度时，总控制器（11）发出指令控制锻打激光头（72）发出短脉冲激光束对熔覆层进行锻打，控制机械手臂（1）运动的同时控制激光器激光光斑入射角度、位置、位移量，保持激光最佳的入射角，同时通过总控制器的各个模块间相互耦合影响实时改变各个激光头及送粉送气装置的参数；

（7）在步骤（6）之后，通过在线监控系统（10）监测熔融层的尺寸变化，以改变下一层的激光熔覆头（82）的移动速度和送粉头（81）的送粉量及移动速度等参数，进而改变熔覆层的厚度，重复步骤（5）、（6），直至达到完好的涡轮盘的尺寸要求。

7.根据权利要求6所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复方法，其特征在于，在步骤（5）中，总控制器（11）的熔覆激光控制模块控制激光熔覆头（8）进行熔覆镍基高温合金粉末的熔覆。

8.根据权利要求6所述的高温合金小尺寸结构涡轮盘的损伤榫槽双激光锻造再制造修复方法，其特征在于，在步骤（6）中，最佳锻打温度的温度范围为800°C~1000°C。