CN109128135A - 一种自熔合金粉末及钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺 - Google Patents

一种自熔合金粉末及钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钛合金叶片激光再制造领域，尤其是一种自熔合金粉末及钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，其中，所用自熔合金粉末各主要元素构成及含量如下：5.50～6.80Al，3.40～4.50V，0.25～0.30Fe，0.05～0.10C，余量为Ti，粒度约为50‑150μm。采用自熔合金粉末对体积损伤Ti‑6Al‑4V叶片进行脉冲激光再制造成形修复，熔覆层与基体热膨胀系数匹配且接近，可显著控制熔覆层与基体界面处硬脆相的增生，提高界面结合强度，防止热裂纹的萌生，提高再制造成形的修复质量。

Description

一种自熔合金粉末及钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺
技术领域
本发明涉及激光再制造技术领域，尤其是一种自熔合金粉末及钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺。
背景技术
钛合金因比强度高以及耐腐蚀性好等优点被广泛运用于飞行器发动机及叶片的制造，但受转子高速或超高速运转离心力以及强气流冲击的复合作用下，承载着轴向拉伸、非定向扭曲以及非周期性的非定幅振动载荷。尤其是进气端的叶片边部以及前风扇叶片尖部，受离心力、空气激振力等复合作用以及强气流运载输送下刚性异物撞击作用，容易产生蚀孔、裂纹以及断裂等形式体积损伤。而钛合金叶片自身材料价值高、热处理及加工工艺复杂，因而具有较高的产品附加值和再制造价值。已有的钛合金叶片激光再制造成形研究及工艺面临以下方面问题：
(1)采用微弧堆焊对体积损伤叶片进行仿形修复，受工艺等方面因素限制，难以实现较高的成形精度；
(2)采用高速电弧喷涂、火焰喷熔等表面强化处理提高叶片寿命，难以实现较高的界面结合强度；
(3)设计特定工作环境下耐磨弹性梯度材料、耐磨新涂层材料的方法，难以异种材料高温高转速工况下良好力学性能的保持；
(4)通过固溶、渗硼等措施对表面进行功能强化，但无法实现一定体积的快速成形修复。
发明内容
为克服上述工程实际问题，本发明提出一种自熔合金粉末及体积损伤钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺方法，可显著提升叶片类部件激光再制造成形形状精度、金相组织形态以及材料力学性能的方法，可显著控制熔覆层与基体界面处硬脆相的增生，提升界面结合强度，防止热裂纹的萌生，提升再制造成形的修复质量。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种自熔合金粉末，各主要元素及质量百分比如下：5.50～6.80％Al，3.40～4.50％V，0.25～0.30％Fe，0.05～0.10％C，余量为Ti。
优选的，各主要元素及质量百分比如下：6.50％Al，3.85％V，0.28％Fe，0.08％C，余量为Ti。
优选的，所述合金粉末的粉末粒度为50-150μm。
优选的，所述合金粉末为球形。
此外，所述合金粉末中还可含有按质量分数12％～20％均匀混合添加的TiC粉末，粉末粒度为50-150μm，可进一步增强成形部分的耐蚀耐磨性。
采用上述自熔合金粉末的钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，包括以下步骤：
(1)钛合金叶片再制造部位表面腐蚀去除：采用砂轮机或者角磨机去除腐蚀或粒子冲蚀所产生的锈蚀及毛边，并将再制造部位表面磨平。
(2)体积损伤叶片装夹：将体积损伤叶片固定在三抓卡盘上，使卡盘轴线与叶片中心线重合，调整卡盘转数，使三爪卡盘每旋转一周，激光熔覆加工头在再制造成形方向上偏移0.9-1.8mm，熔覆路径与体积损伤形线拟合，熔覆加工头轴线始终与成形表面垂直。
(3)合金粉末的干燥：所述步骤(3)具体为，将该合金粉末放入真空干燥烘箱内，抽真空至0.2MPa以下，然后加热至100℃-150℃，保温1h-2h，随炉冷却到室温。
(4)脉冲激光再制造成形：使用氩气作为送粉气和熔池保护气，氩气纯度为99.99％，采用四路同轴送粉方式进行再制造成形，根据体积损伤高度和单层成形高度，控制再制造成形层数，成形工艺参数为激光功率0.9～1.5kW，扫描速度为4～7mm/s，送粉速率为80～110rad/min，载气流量为3～8L/min，脉宽10～15ms，占空比为8:1～10:1，光斑为圆形，光斑直径为3～3.5mm，离焦量为3～5mm，光束能量呈现高斯分布，成形层单层成形高度控制在0.7～1.2mm之间；
(5)层间清理工艺：成形过程中，根据成形层表面是否规整和是否存在夹渣而选择是否进行层间清理工艺，具体的层间清理工艺为：在成形过程中，可停止激光辐照和向熔池内送粉，采用金属锤锤击成形层，在成形层表面出现不显著凹坑；在进行下一次成形前，采用钢刷对前一次成形部位的表面进行反复清理，以去除表面夹渣。
(6)成形后的表面重熔：对成形部位表面进行激光重熔处理，激光工艺参数为：激光功率0.5～0.8kW，扫描速度为4～10mm/s，脉宽8～10ms，占空比6:1～8:1，离焦量为30～60mm，光斑直径为3～6mm；
(7)渗透探伤：采用渗透探伤对钛合金叶片再制造成形部位进行裂纹以及气孔等缺陷的监测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的激光熔覆用钛合金叶片成形专用合金粉末，与钛合金叶片热膨胀系数相近，可实现成形过程中热变形的有效控制；
(2)本发明的成形工艺对钛合金叶片成形形状控制具有一定的工艺通用性，可以通过设置叶片固定位置、三爪卡盘的旋转速度以及激光成形路径，实现成形形状的控制，并具有较好的可控精度；
(3)通过激光重熔和层间清理的工艺方式，实现成形部位表面粗糙度的控制，实现成形层内以及层间残余应力的消除或者降低，控制成形形变，对于叶片类旋转扭曲薄壁类结构件的成形形变控制具有较好的工艺通用性和实用性，工艺简单可控，具有良好的实施效果和较高的处理效率。
附图说明
图1为本发明体积损伤钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺方法的的工艺流程图。
图2为本发明体积损伤钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺方法的修复方法的示意图，表示出激光成形过程。
图3是体积损伤钛合金叶片再制造后熔覆层中部及基体热影响区显微组织图。激光功率1.5kW，扫描速度为5mm/s，送粉速率为1.4rad/min，载气流量为3L/min，脉宽10ms，占空比为10:1，光斑直径为3mm。
图4因单层抬升量过小以及激光功率过大而导致的基体过烧和成形部位塌陷。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：
一种钛合金叶片激光再制造专用合金粉末，以重量百分比计由如下组分构成：5.50％Al，4.20％V，0.28％Fe，0.08％C，余量为Ti，粉末呈球形，平均粒度为120μm。
体积损伤钛合金叶片进气边存在体积损伤，磨损厚度达到2.2mm，表面的局部存在部分锈蚀。激光再制造成形步骤如下：
(1)钛合金叶片再制造部位表面腐蚀去除：采用角磨机或砂轮将待修复表面的腐蚀或锈蚀去除，使新鲜基体裸露，并将表面磨平；
(2)体积损伤叶片的装夹：将体积损伤钛合金叶片固定在工作转台上，使待再制造叶片轴线与三爪卡盘轴线重合，承缸每旋转一周，激光头在垂直于熔覆方向的方向上偏移0.9mm；
(3)合金粉末的干燥：将该合金粉末放入真空干燥烘箱内，抽真空至0.2MPa以下，然后加热至150℃，保温2h，随炉冷却到室温；
(4)脉冲激光再制造成形：使用氩气作为送粉气和熔池保护气，氩气纯度为99.99％，采用四路同轴送粉方式进行再制造成形，激光功率1.5kW，扫描速度为5mm/s，送粉速率为100rad/min，载气流量为4L/min，脉宽10ms，占空比为10:1，光斑直径为3mm，离焦量为4mm，单层成形高度约为1mm，共成形3层；
(5)层间清理工艺：再制造过程中，根据成形层表面是否规整以及是否存在夹渣而选择是否进行层间清理工艺，具体的层间清理工艺为：在成形过程中，可停止激光辐照和向熔池内送粉，采用金属锤锤击成形层，在成形层表面出现不显著凹坑；在进行下一次成形前，采用钢刷对前一次成形部位的表面进行反复清理，以去除表面夹渣。
(6)成形后的表面重熔：对成形部位表面进行激光重熔处理，激光工艺参数为：激光功率0.7kW，扫描速度为5mm/s，脉宽10ms，占空比8:1，离焦量为50mm，光斑直径为3mm；
(7)渗透探伤：采用渗透探伤对钛合金叶片再制造成形部位进行裂纹以及气孔等缺陷的监测。
实施例2
一种钛合金叶片激光再制造专用合金粉末，以重量百分比计由如下组分构成：6.10％Al，3.40％V，0.25％Fe，0.05％C，余量为Ti，粉末呈球形，平均粒度为50μm。
体积损伤钛合金叶片进气边存在体积损伤，磨损厚度达到2.2mm，表面的局部存在部分锈蚀。激光再制造成形步骤如下：
(1)钛合金叶片再制造部位表面腐蚀去除：采用角磨机或砂轮将待修复表面的腐蚀或锈蚀去除，使新鲜基体裸露，并将表面磨平；
(2)体积损伤叶片的装夹：将体积损伤钛合金叶片固定在工作转台上，使待再制造叶片轴线与三爪卡盘轴线重合，承缸每旋转一周，激光头在垂直于熔覆方向的方向上偏移1.8mm；
(3)合金粉末的干燥：将该合金粉末放入真空干燥烘箱内，抽真空至0.2MPa以下，然后加热至100℃，保温1h，随炉冷却到室温；
(4)脉冲激光再制造成形：使用氩气作为送粉气和熔池保护气，氩气纯度为99.99％，采用四路同轴送粉方式进行再制造成形，激光功率0.9kW，扫描速度为4mm/s，送粉速率为80rad/min，载气流量为3L/min，脉宽15ms，占空比为8:1，光斑直径为3.5mm，离焦量为4mm，单层成形高度约为0.7mm，共成形3层；
(5)层间清理工艺：再制造过程中，根据成形层表面是否规整以及是否存在夹渣而选择是否进行层间清理工艺，具体的层间清理工艺为：在成形过程中，可停止激光辐照和向熔池内送粉，采用金属锤锤击成形层，在成形层表面出现不显著凹坑；在进行下一次成形前，采用钢刷对前一次成形部位的表面进行反复清理，以去除表面夹渣。
(6)成形后的表面重熔：对成形部位表面进行激光重熔处理，激光工艺参数为：激光功率0.5kW，扫描速度为4mm/s，脉宽8ms，占空比6:1，离焦量为30mm，光斑直径为6mm；
(7)渗透探伤：采用渗透探伤对钛合金叶片再制造成形部位进行裂纹以及气孔等缺陷的监测。
实施例3
一种钛合金叶片激光再制造专用合金粉末，以重量百分比计由如下组分构成：6.80％Al，4.50％V，0.30％Fe，0.10％C，余量为Ti，粉末呈球形，平均粒度为150μm。
体积损伤钛合金叶片进气边存在体积损伤，磨损厚度达到2.1mm，表面的局部存在部分锈蚀。激光再制造成形步骤如下：
(1)钛合金叶片再制造部位表面腐蚀去除：采用角磨机或砂轮将待修复表面的腐蚀或锈蚀去除，使新鲜基体裸露，并将表面磨平；
(2)体积损伤叶片的装夹：将体积损伤钛合金叶片固定在工作转台上，使待再制造叶片轴线与三爪卡盘轴线重合，承缸每旋转一周，激光头在垂直于熔覆方向的方向上偏移1.2mm；
(3)合金粉末的干燥：将该合金粉末放入真空干燥烘箱内，抽真空至0.2MPa以下，然后加热至150℃，保温1.5h，随炉冷却到室温；
(4)脉冲激光再制造成形：使用氩气作为送粉气和熔池保护气，氩气纯度为99.99％，采用四路同轴送粉方式进行再制造成形，激光功率1.5kW，扫描速度为7mm/s，送粉速率为110rad/min，载气流量为8L/min，脉宽12ms，占空比为9:1，光斑直径为3.2mm，离焦量为5mm，单层成形高度约为1.2mm，共成形3层；
(5)层间清理工艺：再制造过程中，根据成形层表面是否规整以及是否存在夹渣而选择是否进行层间清理工艺，具体的层间清理工艺为：在成形过程中，可停止激光辐照和向熔池内送粉，采用金属锤锤击成形层，在成形层表面出现不显著凹坑；在进行下一次成形前，采用钢刷对前一次成形部位的表面进行反复清理，以去除表面夹渣。
(6)成形后的表面重熔：对成形部位表面进行激光重熔处理，激光工艺参数为：激光功率0.8kW，扫描速度为10mm/s，脉宽10ms，占空比7:1，离焦量为60mm，光斑直径为4mm；
(7)渗透探伤：采用渗透探伤对钛合金叶片再制造成形部位进行裂纹以及气孔等缺陷的监测。
为突出本发明的有益效果，还进行了以下对比例试验。
对比例1
(1)钛合金叶片再制造部位表面腐蚀去除：采用角磨机或砂轮将待修复表面的腐蚀或锈蚀去除，使新鲜基体裸露，并将表面磨平；
(2)体积损伤叶片的装夹：将体积损伤钛合金叶片固定在工作转台上，使待再制造叶片轴线与三爪卡盘轴线重合，承缸每旋转一周，激光头在垂直于熔覆方向的方向上偏移0.8mm；
(3)合金粉末的干燥：将该合金粉末放入真空干燥烘箱内，抽真空至0.2MPa以下，然后加热至150℃，保温2h，随炉冷却到室温；
(4)脉冲激光再制造成形：使用氩气作为送粉气和熔池保护气，氩气纯度为99.99％，采用四路同轴送粉方式进行再制造成形，激光功率2kW，扫描速度为5mm/s，送粉速率为100rad/min，载气流量为3.5L/min，脉宽10ms，占空比为10:1，光斑直径为3mm。
成形中发现，叶片存在较为明显的过烧情况，基体部分热影响区范围及烧蚀现象较为严重，这主要是因为熔覆加工头单层抬升量过小且激光功率过大，导致部分成形部位被过烧而塌陷，造成再制造成形的失败。如附图4所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种自熔合金粉末，其特征在于，各主要元素及质量百分比如下：5.50～6.80％Al，3.40～4.50％V，0.25～0.30％Fe，0.05～0.10％C，余量为Ti。
2.根据权利要求1所述的自熔合金粉末，其特征在于，各主要元素及质量百分比如下：6.50％Al，3.85％V，0.28％Fe，0.08％C，余量为Ti。
3.根据权利要求1所述的自熔合金粉末，其特征在于：所述合金粉末的粉末粒度为50-150μm。
4.根据权利要求1所述的自熔合金粉末，其特征在于：所述合金粉末为球形。
5.根据权利要求1所述的自熔合金粉末，其特征在于：所述合金粉末中还含有质量分数12％～20％的TiC，粉末粒度为50-150μm。
6.采用权利要求1-5任一所述自熔合金粉末的钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)钛合金叶片再制造部位表面腐蚀去除；
(2)体积损伤叶片装夹；
(3)合金粉末的干燥；
(4)脉冲激光再制造成形：使用氩气作为送粉气和熔池保护气，氩气纯度为99.99％，采用四路同轴送粉方式进行再制造成形，根据体积损伤高度和单层成形高度，控制再制造成形层数，成形工艺参数为激光功率0.9～1.5kW，扫描速度为4～7mm/s，送粉速率为80～110rad/min，载气流量为3～8L/min，脉宽10～15ms，占空比为8:1～10:1，光斑为圆形，光斑直径为3～3.5mm，离焦量为3～5mm，光束能量呈现高斯分布，成形层单层成形高度控制在0.7～1.2mm之间；
(5)层间清理工艺；
(6)成形后的表面重熔：对成形部位表面进行激光重熔处理，激光工艺参数为：激光功率0.5～0.8kW，扫描速度为4～10mm/s，脉宽8～10ms，占空比6:1～8:1，离焦量为30～60mm，光斑直径为3～6mm；
(7)渗透探伤：采用渗透探伤对钛合金叶片再制造成形部位进行裂纹以及气孔等缺陷的监测。
7.根据权利要求6所述的钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，其特征在于：所述步骤(1)具体为，采用砂轮机或者角磨机去除腐蚀或粒子冲蚀所产生的锈蚀及毛边，并将再制造部位表面磨平。
8.根据权利要求6所述的钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，其特征在于：所述步骤(2)具体为，将体积损伤叶片固定在三抓卡盘上，使卡盘轴线与叶片中心线重合，调整卡盘转数，使三爪卡盘每旋转一周，激光熔覆加工头在再制造成形方向上偏移0.9-1.8mm，熔覆路径与体积损伤形线拟合，熔覆加工头轴线始终与成形表面垂直。
9.根据权利要求6所述的钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，其特征在于：所述步骤(3)具体为，将该合金粉末放入真空干燥烘箱内，抽真空至0.2MPa以下，然后加热至100℃-150℃，保温1h-2h，随炉冷却到室温。
10.根据权利要求6所述的钛合金叶片脉冲激光再制造成形工艺，其特征在于：所述步骤(5)具体为，成形过程中，根据成形层表面是否规整和是否存在夹渣而选择是否进行层间清理工艺，具体的层间清理工艺为：在成形过程中，可停止激光辐照和向熔池内送粉，采用金属锤锤击成形层，在成形层表面出现不显著凹坑；在进行下一次成形前，采用钢刷对前一次成形部位的表面进行反复清理，以去除表面夹渣。
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