CN110055526A - 一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法 - Google Patents

一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法 Download PDF

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Abstract

一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，将单晶高温合金（6）放置于专用工装（4）内，将具有高斯分布的激光辐射能量（1）的激光光束（2）辐照在单晶高温合金表面，形成有效激光能量（7）；未辐照在单晶高温合金表面的无效激光能量（3）被专用工装反射和传导而耗散；作用于单晶高温合金表面的有效激光能量（7）通过热流方向（5）导出，为单晶高温合金外延生长提供温度条件；被熔化的合金金属粉末形成具有外延生长特征的单晶高温合金修复层。本发明通过添加专用工装，将高斯分布的激光能量进行分割，使激光光斑中部能量较集中部分作用于单晶高温合金表面；可实现单层1~2mm的修复层，整个修复层内部组织都保持一致的定向外延生长。

Description

一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法
技术领域
本发明涉及一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，属单晶高温合金修复技术领域。
背景技术
单晶高温合金因消除了晶界，从而拥有优异的高温强度、高温持久性能，在航空发动机、燃气轮机中越来越多的被采用。由于热膨胀、离心力、安装和/或加工误差等因素，常常导致静子部件与叶片发生接触， 从而使叶尖遭受磨损损伤。采用激光等手段将磨短的叶尖进行接长是实现这类损伤叶片再制造的重要手段之一。然而，当激光直接在单晶高温合金会因为温度梯度的方向改变和冷却速度的减小而出现柱晶生长方向改变和等轴晶，也称“杂晶”的出现，为单晶高温合金的外延生长修复造成了不小的困难，必须严格控制冷却条件。
现有技术几乎都是将激光直接辐照在单晶基体上，并通过强制冷却以期获得足够大的温度梯度来实现修复层的定向外延生长，但由于完整光斑内的激光能量呈高斯分布，激光熔池内不可避免的存在能量差异，而通过在底部施加强制冷却无法消除这种差异，从而使修复层内部只有界面以上一小部分为良好的外延生长枝晶，而其他部位为等轴晶或生长方向不一致的枝晶，且厚度基本都小于0.5mm。另一方面，当前大量的单晶涡轮叶片采用中空气冷结构，叶尖多为薄壁结构。当单晶高温合金的宽度小于激光光斑直径时，作用于单晶高温合金表面的激光能量能够形成较好的外延生长条件，但未作用于单晶高温合金表面的激光能量将直接作用于单晶高温合金的侧面从而减小熔池的温度梯度和冷却速度，直接影响单晶修复层的外延生长条件，造成单晶高温合金外延生长的困难。
因此，现有技术要么采用去除“杂晶层”后继续激光修复，要么采用激光重熔去除“杂晶层”再继续激光修复来获得较大厚度的激光修复层。如何在单道激光修复过程中获得较大厚度的完全外延生长修复层，是本领域的技术难点，目前尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是，为了解决单道激光修复过程中获得较大厚度的完全外延生长修复层的问题，本发明提出一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法。
本发明实现的技术方案如下，一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，所述方法将单晶高温合金放置于专用工装内，将激光辐射能量呈高斯分布的激光光束辐照在单晶高温合金表面，形成作用在单晶高温合金表面的有效激光能量；未辐照在单晶高温合金表面的无效激光能量被对激光具有高反射率的材料制作的专用工装反射和传导而耗散；作用于单晶高温合金表面的激光能量通过热流方向导出，为单晶高温合金外延生长提供温度条件；被熔化的合金金属粉末形成具有外延生长特征的单晶高温合金修复层。
所述专用工装由99%以上纯度的纯铜（或铝合金，或表面经过反射膜特殊处理的各种金属或非金属材料）制成；所述专用工装外形为方块或圆柱，内部垂直方向设有方形或圆形装夹孔；所述专用工装内部根据需要设置循环冷却水的管道。
所述单晶高温合金的宽度小于激光束光斑直径，其中单晶高温合金的宽度为0.1~4mm，其他方向尺寸不受限制，激光束光斑直径为0.2~8mm，光占比30%~70%。光占比的定义为单晶高温合金宽度与激光光斑直径的比值。
所述单晶高温合金的宽度与专用工装内部装夹孔宽度一致；单晶高温合金的待修复表面低于专用工装的表面0~2mm。
所述激光束功率为100~3000W，激光扫描速率为0.1~50mm/s，送粉率为5~200g/min，激光离焦量为-10~10mm；所用金属粉末粒度为20~200μm，化学成分与单晶高温合金的化学成分相近。
所述单晶高温合金修复层的单层厚度为1~2mm。
所述合金金属粉末的化学成分与单晶高温合金的化学成分相近，包括NiCoCrAlYTa或Inconel 718高温合金。
一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，包括以下步骤：
（1）将单晶高温合金加工成薄片，待修复面经过砂纸打磨抛光后用酒精清洗并用吹风机吹干备用；
（2）将单晶高温合金薄片放入专用工装内，专用工装的装夹孔宽度与单晶高温合金薄片宽度一致，其他尺寸不受限制；保持待修复面与工装表面平齐，或略低于工装表面，控制在0~2mm之间；
（3）将装配好的待修复件置于激光光斑之下，设置相关工艺参数，喷射合金粉末，进行激光修复；
（4）经过激光扫描之后，在单晶高温合金薄片待修复面上形成修复层，修复层内保持枝晶定向外延生长无杂晶、裂纹缺陷。
一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复装置，包括专用工装、激光器、粉末喷射器和控制模块。所述专用工装为对激光具有高反射率的材料，内部设置有装夹孔用于装夹被修复的单晶高温合金和用于冷却；激光器发射激光，为被修复的单晶高温合金提供能量；所述粉末喷射器用于喷射修复单晶高温合金的合金粉末；控制模块用于控制激光器的输出功率和激光扫描速率，并控制粉末喷射器的送粉率。
本发明的有益效果是，本发明通过添加专用工装，将高斯分布的激光能量进行分割，使激光光斑中部能量较集中部分作用于单晶高温合金表面；而边缘能量较低部分被工装反射或导出，从而实现对激光能量的约束，减少边缘能量对单晶外延生长条件的不良影响。经过试验，本发明可实现单层1~2mm的修复层，整个修复层内部组织从结合面到表面几乎都保持一致的定向外延生长。本发明在单晶高温合金涡轮叶片的叶尖接长修复中具有巨大潜力。
附图说明
图1为能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法示意图；
图2为单晶高温合金激光外延生长修复试样截面组织典型金相照片；
图3为PWA1484单晶高温合金能量约束激光修复层截面组织金相照片；
图4为DD407单晶高温合金能量约束激光修复层截面组织金相照片；
图5为DD407单晶高温合金能量约束激光修复层顶部组织金相照片；
图中，1是高斯分布的激光辐射能量；2是激光束；3是被反射的激光能量；4是专用工装；5是热量导出的热流方向；6是单晶高温合金；7是作用在单晶高温合金表面的激光能量；8是修复层。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
本实施例一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，所述方法将单晶高温合金放置于专用工装4内，将具有高斯分布的激光辐射能量1的激光束2辐照在单晶高温合金6表面，形成作用在单晶高温合金表面的有效激光能量7；未辐照在单晶高温合金表面的无效激光能量3被对激光具有高反射率的材料制作的专用工装反射和传导而耗散；作用于单晶高温合金表面的激光能量通过热流方向5导出，为单晶高温合金外延生长提供温度条件；被熔化的合金金属粉末形成具有外延生长特征的单晶高温合金修复层8。
一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，包括以下步骤：
（1）将单晶高温合金加工成0.1~4mm宽的薄片，待修复面经过砂纸打磨抛光后用酒精清洗并用吹风机吹干备用。
（2）准备好专用工装。专用工装外形为方块或圆柱，其内部根据需要可通循环冷却水加强冷却。
（3）将单晶高温合金薄片放入由对激光具有高反射率的材料加工而成的专用工装内，专用工装的装夹孔宽度与单晶高温合金薄片宽度一致，其他尺寸不受限制。保持待修复面与工装表面平齐（或略低于工装表面，控制在0~2mm之间）。
（4）将装配好的待修复件置于激光光斑之下，光斑直径0.2~8mm，保持光占比30%~70%。
（5）设置激光功率100~3000W，激光扫描速率为0.1~50mm/s，送粉率为5~500g/min，激光离焦量为-10~10mm，所用修复层金属粉末粒度为20~200μm，化学成分与单晶高温合金6的化学成分相近。
（6）经过激光扫描之后，在单晶高温合金薄片待修复面上形成单层厚度1~2mm的修复层，修复层内保持枝晶定向外延生长且无杂晶、裂纹等缺陷。
实施例1：
将PWA1484单晶高温合金线切割成宽2mm，长16mm，高10mm的薄片，将待修复面经过600#、2000#砂纸打磨之后抛光，采用无水乙醇清洗杂质和油污后用电吹风吹干备用。将单晶高温合金薄片放置于专用工装的夹持孔中，夹持孔尺寸为宽2mm，长20mm，高10mm。专用工装采用99.95%纯铜制成，外轮廓为圆柱形，直径25mm，高10mm。
专用工装表面经砂纸打磨去除氧化层后抛光，以增强反射效果。将装配好的零件放置于激光熔覆头之下，调整激光功率1400W、扫描速度10mm/s、光斑直径4mm、送粉速度200g/min、离焦量0mm。
所用修复层粉末为NiCoCrAlYTa，粒度45~150μm。经过激光扫描之后，形成的修复层内部无裂纹、无孔洞、枝晶沿[001]方向定向外延生长，修复层厚度1.11mm。
本实施例PWA1484单晶高温合金能量约束激光修复层截面组织金相照片如图3所示。
实施例2：
单晶高温合金为DD407，将其线切割成宽2mm、长20mm、高20mm的薄片，待修复面经600#、2000#砂纸打磨后抛光，采用无水乙醇清洗待修复表面去除杂质与油污后电吹风吹干备用。将单晶薄片置于专用工装夹持孔中。
专用工装采用99.95%纯铜制成，外轮廓为圆柱形，直径25mm，高20mm。夹持孔尺寸为宽度2mm、长度20mm的通孔。
专用工装上表面采用砂纸打磨去除氧化层后抛光，以增强反射效果。将装配好的零件放置在激光熔覆头之下，调整激光功率2000W、扫描速度15mm/s、光斑直径6mm、送粉速度450g/min、离焦量-2mm。
所用修复层粉末为Inconel 718高温合金，粉末粒度45~150μm。经过激光扫描之后，形成的修复层内部无裂纹、无气孔等缺陷，整个截面内枝晶都保持[001]方向定向外延生长。修复层度1.22mm。
本实施例DD407单晶高温合金能量约束激光修复层截面组织金相照片如图4所示，DD407单晶高温合金能量约束激光修复层顶部组织金相照片如图5所示。

Claims (8)

1.一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述方法将单晶高温合金放置于专用工装内，将激光辐射能量呈高斯分布的激光光束辐照在单晶高温合金表面，形成作用在单晶高温合金表面的有效激光能量；作用于单晶高温合金表面的有效激光能量通过热流方向导出，为单晶高温合金外延生长提供温度条件；作用于单晶高温合金表面以外的无效激光能量被专用工装反射、导出而耗散；被熔化的合金粉末形成具有外延生长特征的单晶高温合金修复层。
2.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述专用工装由对激光反射率高的材料制成，包括铜、铝、表面经过反射膜特殊处理的各种金属或非金属材料；所述专用工装外形为方块或圆柱，内部垂直方向设有方形装夹孔；所述专用工装内部设有循环冷却水管道。
3.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述单晶高温合金的宽度小于激光束光斑直径，其中单晶高温合金的宽度为0.1~4mm，其他方向尺寸不受限制，激光束光斑直径为0.2~8mm，光占比30%~70%。
4.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述单晶高温合金的宽度与专用工装内部装夹孔宽度一致；单晶高温合金的待修复表面低于专用工装的表面0~2mm。
5.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述激光束功率为100~3000W，激光扫描速率为0.1~50mm/s，送粉率为5~200g/min，激光离焦量为-10~10mm；所用金属粉末粒度为20~200μm，化学成分与单晶高温合金的化学成分相近。
6.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述单晶高温合金修复层的单层厚度为1~2mm。
7.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）将单晶高温合金加工成薄片，待修复面经过砂纸打磨抛光后用酒精清洗并用吹风机吹干备用；
（2）将单晶高温合金薄片放入专用工装内，专用工装的装夹孔宽度与单晶高温合金薄片宽度一致，其他尺寸不受限制；保持待修复面与工装表面平齐，或略低于工装表面，控制在0~2mm之间；
（3）将装配好的待修复件置于激光光斑之下，设置相关工艺参数，喷射合金粉末，进行激光修复；
（4）经过激光扫描之后，在单晶高温合金薄片待修复面上形成修复层，修复层内保持枝晶定向外延生长无杂晶、裂纹缺陷。
8.根据权利要求1所述的一种能量约束的单晶高温合金激光外延生长修复方法，其特征在于，实现所述方法的单晶高温合金激光外延生长修复装置包括专用工装、激光器、粉末喷射器和控制模块；所述专用工装为对激光反射率高的材料，内部设置有装夹孔用于装夹被修复的单晶高温合金和用于冷却；激光器发射激光，为被修复的单晶高温合金提供能量；所述粉末喷射器用于喷射修复单晶高温合金的合金粉末；控制模块用于控制激光器的输出功率和激光扫描速率，并控制粉末喷射器的送粉率。
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