CN110819982B - 一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，用激光熔覆技术将涡轮叶片叶冠和封严齿磨损以及叶冠和封严齿裂纹部位进行修复，然后采用磨削加工，使其外形尺寸恢复至原设计几何尺寸形态和技术指标，能够再次使用。激光熔覆具有快速熔凝特征，激光熔覆凝固组织的亚结构相比常规铸态组织显著细化，可以获得细密、均匀的合金组织，激光熔覆修复后涡轮叶片的力学性能接近锻件标准。

Description

一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法
技术领域
本发明属于航空发动机维修技术领域，具体涉及一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法。
背景技术
为了提高涡轮部件的效率，减少因燃气泄漏造成的效率下降，航空发动机涡轮叶片顶部常常设计成带冠结构，叶冠部位设计封严齿与涡轮外环上的蜂窝或柔软涂层配合形成叶尖间隙，在工作时可以尽量减小燃气沿叶尖的泄漏。涡轮叶片在服役过程中产生的损伤特征为叶冠和封严齿磨损以及叶冠和封严齿裂纹，对于符合叶片修理范围内的损伤，采用TIG焊(非熔化极惰性气体保护电弧焊)工艺对其进行修理、加工、检测合格后再次使用。但是TIG焊由于热输入大，受热使性能降低导致叶片可靠性下降、使用寿命缩短；其次，TIG是手工操作，工艺稳定性和产品质量受人为因素影响较大，合格率不高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，用激光熔覆技术将涡轮叶片叶冠和封严齿磨损以及叶冠和封严齿裂纹部位进行修复，然后采用磨削加工，使其外形尺寸恢复至原设计几何尺寸形态和技术指标，能够再次使用。
为达到上述目的，本发明所述一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，包括以下步骤：
步骤1、检查涡轮叶片封严齿和叶冠凸边上的裂纹是否超标，对超标的裂纹所在的涡轮叶片进行隔离，若裂纹未超标则进行步骤2；
步骤2、裂纹去除：
1)当裂纹为非穿透裂纹时，判断裂纹的深度是否小于设定值，
若裂纹深度小于设定值，则用砂纸打磨去除裂纹，然后进行步骤7，
若裂纹深度大于等于设定值，则将裂纹修磨成坡口，然后进行步骤3；
2)当裂纹为穿透裂纹时：
将封严齿上的穿透裂纹修成坡口；
修磨完坡口后检查裂纹是否完全去除，若完全去除，则进行步骤3；否则，继续修磨，直至去除裂纹；
步骤3、对坡口进行激光熔覆修复，激光熔覆修复后，留磨削加工余量≥0.5mm；
步骤4、对激光熔覆修复部位进行磨削加工，使涡轮叶片叶冠和封严齿外形尺寸恢复至设计图尺寸；
步骤5、检查叶片外观及封严齿外形尺寸：若叶片外观及封严齿外形尺寸符合要求，则进行步骤6，否则，废弃该叶片；
步骤6、对叶片进行热处理；
步骤7、检查修复部位是否有裂纹，若无裂纹，修复过程结束；否则跳转至步骤2，直至叶片上没有裂纹或废弃裂纹所在的叶片。
进一步的，步骤2中，修磨的坡口为V形，坡口的角度α为30°～40°，深度以尽可能少的去除叶片材料为原则。
进一步的，步骤2中，涡轮叶片叶冠凸边上的穿透性裂纹沿裂纹断开处去除裂纹，坡口距离叶形不小于1mm；封严齿上修磨的坡口距离封严齿根部转接R的切点不小于0.5mm。
进一步的，在步骤2和步骤3之间，对叶片进行表面退火。
进一步的，在步骤2和步骤3之间，对涡轮叶片叶冠和封严齿的磨损部位及裂纹修磨部位进行吹砂。
进一步的，步骤3中，先对叶片进行预热，然后在激光熔覆功率600W，加工点光斑尺寸
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光束扫描速度300mm/min的条件下，打开送粉器，设置送粉速率5～7g/min，单层熔覆厚度0.2mm，搭接率为40％～50％，对叶片进行激光熔覆修复。
进一步的，步骤3中，激光熔覆材料采用镍基高温合金粉末，镍基高温合金粉末的粒度为100～200目。
进一步的，镍基高温合金粉末的质量百分比为：Cr：17～21，Ti：0.75～1.15，Al：0.3～0.7，Mo：2.8～3.3，Co：≤1.0，C：0.015～0.06，B：0.07～0.011，Ni：50～55，Fe：余量。
进一步的，在进行激光熔覆前，对镍基高温合金粉进行120℃真空烘干，对合金粉除潮。
进一步的，步骤3中，激光熔覆修复采用氩气气氛保护。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
1.跟氩弧焊堆焊工艺相比，采用激光熔覆技术可以实现自动化加工，加工工艺简单，参数可控，加工质量稳定，合格率高，减轻了操作工劳动强度。
2.激光熔覆具有快速熔凝特征，激光熔覆凝固组织的亚结构相比常规铸态组织显著细化，可以获得细密、均匀的合金组织，激光熔覆修复后涡轮叶片的力学性能接近锻件标准。
3.激光熔覆单层熔覆厚度0.2mm，可进行精密修复，修复后机械磨削余量可控制在0.4mm，远小于TIG1mm的加工余量，激光熔覆修复外形可控，更贴合涡轮叶片叶冠和封严齿工作面外形，减少后续机械磨削加工量。
4.采用激光熔覆技术，具有能量密度集中，热输入量小，激光熔覆时只熔化叶片表层0.1mm左右，热影响区小于0.5mm，熔覆层稀释率低，界面冶金结合力强，叶片变形量小，不易出现裂纹等缺陷。
5.通过激光熔覆工艺试验及金相组织、力学性能检测报告，就可以对激光熔覆修复工艺参数优化，当激光熔覆修复工艺参数确定后，就能保证修复叶片的性能。同时在叶片修复过程中完全依靠加工程序保证叶片的修复外形。激光熔覆修复涡轮叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹损伤工艺稳定性和性能稳定性好，叶片合格率高。
进一步的，镍基高温合金粉末的质量百分比为：Cr：17～21，Ti：0.75～1.15，Al：0.3～0.7，Mo：2.8～3.3，Co：≤1.0，C：0.015～0.06，B：0.07～0.011，Ni：50～55，Fe：余量，该合金粉末具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀的优点。
进一步的，其特征在于，在进行激光熔覆前，对镍基高温合金粉进行120℃真空烘干，对合金粉除潮，恢复粉末的流动性并减小气孔等缺陷的产生。
附图说明
图1是涡轮叶片叶冠和封严齿结构示意图；
图2是涡轮叶片叶冠和封严齿外形激光熔覆修复示意图；
图3a是涡轮叶片封严齿损伤修理范围，阴影区域为可修复区域；
图3b是涡轮叶片叶冠凸边损伤修理范围，阴影区域为可修复区域；；
图4是涡轮叶片封严齿上穿透性裂纹修成v形坡口示意图；
图5是涡轮叶片叶冠凸边上穿透性裂纹修v形坡口示意图；
附图中：1、封严齿，2、叶冠凸边，3、坡口，4、切点，图3a和图3b中，修磨必须在阴影部分进行。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，采用激光熔覆技术在涡轮叶片叶冠凸边和封严齿磨损及裂纹部位激光熔覆，然后通过磨削加工，使涡轮叶片外形尺寸恢复到设计尺寸。叶片叶冠凸边和封严齿位置参照图1所示。
参照图2，一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，包括以下步骤：
步骤1、涡轮叶片在服役过程中产生的损伤特征为叶冠和封严齿磨损及裂纹，在采用激光熔覆修复之前对涡轮叶片进行损伤评估，在荧光灯下查看涡轮叶片封严齿1和叶冠凸边2上的裂纹状态，根据图3a和图3b可修复标准对裂纹是否超标进行判断，在可修复区域内的裂纹为未超标裂纹，即封严齿1上的裂纹下端距离其所在封严齿1的根部转接R的切点4的距离大于0.5mm，叶冠凸边2上的裂纹下端距离其所在叶冠凸边2的根部转接R的切点4的距离大于1mm，超出阴影区域的则为裂纹超标，对裂纹超标的涡轮叶片进行隔离，若未超标则进行步骤2。
步骤2、裂纹去除：
当裂纹为非穿透裂纹时：
只修磨有裂纹一面，较浅裂纹用砂纸打磨去除裂纹；较深裂纹修成V形的坡口3，所修坡口3的角度α为30°～40°，尽可能少的去除叶片材料；其中裂纹深度小于0.2mm的为较浅裂纹，裂纹深度大于等于0.2mm的为较深裂纹。之所以修成V形坡口是因为V形坡口为敞口式结构，激光光束可达性好，便于进行激光熔覆修复。
当裂纹为穿透裂纹时：
参照图4，将封严齿1上的穿透裂纹修成坡口3，所修坡口3距离封严齿与其根部转接R的切点4不得小于0.5mm，如图3a所示；参照图5，涡轮叶片叶冠凸边2上的穿透性裂纹沿裂纹断开处去除裂纹，所修坡口距离叶形不得小于1mm；
修完坡口3后用荧光灯检查裂纹是否完全去除。如果完全去除，则进行步骤3，否则，接着打磨，直至去除裂纹。
步骤3、为了减少激光熔覆修复时出现裂纹的可能性，对叶片进行表面退火。
步骤4、用胶带对叶片不进行吹砂部位进行保护。
步骤5、对涡轮叶片叶冠、封严齿1磨损部位及裂纹打磨部位进行吹砂处理，去除叶片表面污物。
步骤6、装夹叶片，找正定位夹具定位基准，并将叶片装夹在定位工装上。
步骤7、进行激光熔覆修复，采用同轴送粉喷嘴同步送粉，分别对涡轮叶片叶冠和封严齿1损伤部位进行修复。涡轮叶片叶冠和封严齿1激光熔覆修复后，留磨削加工余量≥0.5mm。
激光熔覆修复采用氩气气氛保护。
激光熔覆修复采用IPG光纤激光器，激光熔覆功率600W，加工点光斑尺寸φ1.2mm，光束扫描速度800mm/min。首先不送合金粉，对叶片叶冠扫描1次，对叶片进行预热；然后激光熔覆功率600W，加工点光斑尺寸φ1.2mm，光束扫描速度300mm/min，打开送粉器，设置送粉速率5～7g/min，单层熔覆厚度0.2mm，搭接率为40％～50％，对叶片进行激光熔覆修复。
激光熔覆材料采用镍基高温合金粉末，镍基高温合金粉末的粒度100～200目。在进行激光熔覆前，对镍基高温合金粉进行120℃真空烘干，对合金粉除潮，恢复粉末的流动性和减小气孔等缺陷的产生。
镍基高温合金粉末的质量百分比为：Cr：17～21，Ti：0.75～1.15，Al：0.3～0.7，Mo：2.8～3.3，Co：≤1.0，C：0.015～0.06，B：0.07～0.011，Ni：50～55，Fe：余量。该合金粉末具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀的优点。
步骤8、将激光熔覆修复后的涡轮叶片安装到磨削定位夹具上，对激光熔覆修复部位进行磨削加工，使涡轮叶片叶冠和封严齿1外形尺寸恢复到设计图尺寸。
步骤9、检查叶片外观及封严齿1外形尺寸：若叶片外观及封严齿1外形尺寸符合要求，则进行步骤10；否则，废弃该叶片；
步骤10、对叶片进行热处理，消除应力。
步骤11、对叶片修复部位进行检查，不允许裂纹、未熔合、气孔等缺陷存在，如果没有缺陷，则修复过程结束，否则废弃该叶片。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、检查涡轮叶片封严齿(1)和叶冠凸边(2)上的裂纹是否超标，对超标的裂纹所在的涡轮叶片进行隔离，若裂纹未超标则进行步骤2；
步骤2、裂纹去除：
1)当裂纹为非穿透裂纹时，判断裂纹的深度是否小于设定值，
若裂纹深度小于设定值，则用砂纸打磨去除裂纹，然后进行步骤7，
若裂纹深度大于等于设定值，则将裂纹修磨成坡口(3)，然后进行步骤3；
2)当裂纹为穿透裂纹时：
将封严齿(1)上的穿透裂纹修成坡口(3)；
修磨完坡口(3)后检查裂纹是否完全去除，若完全去除，则进行步骤3；否则，继续修磨，直至去除裂纹；
步骤3、对坡口(3)进行激光熔覆修复，激光熔覆修复后，留磨削加工余量≥0.5mm；
步骤4、对激光熔覆修复部位进行磨削加工，使涡轮叶片叶冠和封严齿(1)外形尺寸恢复至设计图尺寸；
步骤5、检查叶片外观及封严齿(1)外形尺寸：若叶片外观及封严齿(1)外形尺寸符合要求，则进行步骤6，否则，废弃该叶片；
步骤6、对叶片进行热处理；
步骤7、检查修复部位是否有裂纹，若无裂纹，修复过程结束；否则跳转至步骤2，直至叶片上没有裂纹或废弃裂纹所在的叶片；
所述步骤2中，涡轮叶片叶冠凸边(2)上的穿透性裂纹沿裂纹断开处去除裂纹，坡口(3)距离叶形不小于1mm；封严齿(1)上修磨的坡口(3)距离封严齿(1)根部转接R的切点(4)不小于0.5mm；
所述步骤3中，先对叶片进行预热，然后在激光熔覆功率600W，加工点光斑尺寸φ1.2mm，光束扫描速度300mm/min的条件下，打开送粉器，设置送粉速率5～7g/min，单层熔覆厚度0.2mm，搭接率为40％～50％，对叶片进行激光熔覆修复；
所述步骤2和步骤3之间，对叶片进行表面退火；
所述步骤2和步骤3之间，对涡轮叶片叶冠和封严齿(1)的磨损部位及裂纹修磨部位进行吹砂；
所述步骤3中，激光熔覆材料采用镍基高温合金粉末，所述镍基高温合金粉末的粒度为100～200目。
2.根据权利要求1所述的一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，其特征在于，所述步骤2中，修磨的坡口(3)为V形，坡口(3)的角度α为30°～40°，深度以尽可能少的去除叶片材料为原则。
3.根据权利要求1所述的一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，其特征在于，镍基高温合金粉末的质量百分比为：Cr：17～21，Ti：0.75～1.15，Al：0.3～0.7，Mo：2.8～3.3，Co：≤1.0，C：0.015～0.06，B：0.07～0.011，Ni：50～55，Fe：余量。
4.根据权利要求1所述的一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，其特征在于，在进行激光熔覆前，对镍基高温合金粉进行120℃真空烘干，对合金粉除潮。
5.根据权利要求1所述的一种叶片叶冠和封严齿磨损及裂纹的修复方法，其特征在于，所述步骤3中，激光熔覆修复采用氩气气氛保护。
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