CN111118495A - 一种高能束修复叶片缘边的方法 - Google Patents

一种高能束修复叶片缘边的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高能束修复叶片缘边的方法，步骤包括：对损伤区的损伤尺寸进行量取，获得弦向和径向的损伤尺寸，以损伤尺寸为切除位置将损伤区进行平面切除；以叶片原数模为基础，以损伤尺寸为依据截取生成损伤区毛坯数模；以损伤区毛坯数模为输入采用切片轨迹生成软件，形成损伤区扫描路径规划模型；将叶片放在固定工装上，损伤区表面保持水平,对损伤区进行增厚处理；将振镜放在叶片上方并保持水平，使高能束焦点位于损伤区表面；将送粉管固定在损伤区表面上方；将叶片放置在惰性气体保护箱中，当氧含量低于1000PPM后，打开气载送粉器和高能束发射器，依据扫描路径规划模型开始扫描沉积；待扫描完成和叶片冷却至室温，将叶片取出。

Description

一种高能束修复叶片缘边的方法
技术领域
本发明涉及高能束修复领域，具体涉及一种高能束修复叶片缘边的方法。
背景技术
现有的发动机高压压气机叶片，采用盘片分离的方式，损伤的叶片采用单独更换的方式完成修复。高压压气机整体叶盘目前采用的修复方案包括高能束(激光、电子束和等离子束)熔焊、高能束增材和线性摩擦焊等技术。但针对缘边的修复激光熔覆还只能用于较厚的叶片，1mm以下的叶片缘边修复尚没有有效的办法直接修复，必须通过增厚方法才能保障缘边基材的无熔塌，采用沉积或焊接的方式实现外形恢复。
目前激光等高能束沉积技术，熔池的尺寸最小1mm远大于叶片缘边的典型尺寸0.4-0.5mm，因此，直接在缘边进行高能束沉积，必然造成缘边基材的熔塌，从而导致修复后尺寸达不到数模尺寸。高能束沉积技术采用机械手或机床控制加工头进行材料沉积成形或修复，熔池斑点大，沉积精度低、扫描速度低和热影响区深，会造成被修复叶片的变形和力学性能下降。
因此，本发明采用一种高能束修复叶片缘边的方法来解决上述技术问题，即激光振镜扫描熔化同步送进金属粉末的方法修复叶片缘边。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决现有技术存在的在材料沉积成形或修复时，熔池斑点大，沉积精度低、扫描速度低和热影响区深，会造成被修复叶片的熔塌、变形和力学性能下降的技术问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种高能束修复叶片缘边的方法，包括以下步骤：
S1：对叶片损伤区的损伤尺寸进行量取，获得所述叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸，以所述叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为切除位置将所述损伤区进行平面切除；
S2：以所述叶片原数模为基础，以所述叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为依据截取生成损伤区毛坯数模；
S3：以所述损伤区毛坯数模为输入采用切片轨迹生成软件，形成损伤区扫描路径规划模型；
S4：将所述叶片放置在固定工装上，所述损伤区表面保持水平,并对所述损伤区进行增厚处理；
S5：将高能束振镜放置在所述叶片上方并保持水平，使高能束焦点位于所述损伤区表面；
S6：将送粉管固定在所述损伤区表面上方，所述送粉管与气载送粉器连通；
S7：将所述叶片放置在惰性气体保护箱中，当氧含量低于1000PPM后，打开气载送粉器和高能束发射器，依据步骤S2中形成的扫描路径规划模型开始高能束扫描沉积；
S8：待扫描沉积完成，关闭气载送粉器和高能束发射器，待所述叶片冷却至室温后将所述叶片从惰性气体保护箱中取出。
进一步地，所述高能束发射器为激光发射器，所述高能束为激光，所述高能束振镜为激光振镜。
进一步地，在步骤S5中，采用机械手或机床将所述高能束振镜固定在所述叶片的上方。
进一步地，所述送粉管和所述高能束振镜固定在同一机械手上，所述高能束振镜X单向扫描，所述机械手负责Y向搭接移动进行扫描沉积；或所述送粉管和所述高能束振镜分别固定在不同的机械手上，所述高能束振镜XY双向扫描，所述送粉管根据所述高能束振镜Y向移动速度同步移动。
进一步地，在步骤S6中，所述送粉管为条状送粉管，所述条状送粉管内的粉末材质与所述叶片的材质相同，所述条状送粉管采用侧向前送进的方式从所述损伤区起点移动至终点，以保证同材质粉末全覆盖所述叶片损伤区，所述条状送粉管的出粉端与高能束焦点间距小于或等于5毫米。
进一步地，所述高能束振镜扫描方向平行于所述条状送粉管的长度方向，并垂直于所述条状送粉管的移动方向；所述高能束扫描搭接移动方向与所述条状送粉管移动方向相同且速度一致。
进一步地，在步骤S3中，形成损伤区扫描路径规划模型过程中，以所述损伤区底面为扫描基础面，以50-100μm为层厚进行分层切片扫描。
进一步地，在步骤S7中，所述高能束扫描形状与损伤区的截面相同或外扩1mm。
进一步地，在步骤S4中，所述增厚处理采用金属增厚片和U形夹具，所述金属增厚片的材质与所述叶片的材质相同。
进一步地，在步骤S4中，所述增厚处理采用粉末增厚和随形夹具，所述随形夹具包括U形夹具和粉末舱，所述粉末舱通过U形夹具螺丝固定在所述U形夹具上。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
在本发明提供的高能束修复叶片缘边的方法中，对叶片损伤区的损伤尺寸进行量取，获得叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸，以叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为切除位置将损伤区进行平面切除；以叶片原数模为基础，以叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为依据截取生成损伤区毛坯数模；以损伤区毛坯数模为输入采用切片轨迹生成软件，使损伤区形成扫描路径规划模型，对损伤区形成扫描路径规划模型可使得后续高能束扫描更加精确；将叶片放置在固定工装上，损伤区表面保持水平,并对损伤区进行增厚处理，增厚处理能防止由于叶片缘边薄而导致的基材熔塌；将高能束振镜放置在叶片上方并保持水平，使高能束焦点位于损伤区表面，将送粉管固定在损伤区表面上方，送粉管与气载送粉器连通，高能束热量输入小，沉积精度搞，热影响区小，高能束振镜扫描速度比现有技术采用的机械手或机床控制加工头运动速度大幅提升，提高扫描熔化速度；将叶片放置在惰性气体保护箱中，当氧含量低于1000PPM后，打开气载送粉器和高能束发射器，利用形成的扫描路径规划模型开始高能束扫描沉积，惰性气体保护箱能防止叶片在修复过程中遭到氧化，高能束将同步送进的同材质粉末熔化沉积在损伤区表面以修复叶片并保障修复后的尺寸能达到数模尺寸；待扫描沉积完成，关闭气载送粉器和高能束发射器，待叶片冷却至室温后将叶片从惰性气体保护箱中取出。
本发明提供的上述技术方案中，采用高能束振镜选区扫描熔化同步送进的粉末，同步送进的粉末由条形状送粉管进行气载送粉，可以有效地解决薄壁结构修补过程中大热量输入导致的基材熔塌、形变和修补区的外形精度低的问题，实现薄壁结构的高精度修复。
附图说明
图1为本发明高能束修复叶片缘边的方法中高能束振镜扫描及侧向同步送粉沉积修复叶片的结构关系示意图；
图2为本发明高能束修复叶片缘边的方法中薄壁叶片修复粉末填充增厚工装的示意图；
图3为本发明高能束修复叶片缘边的方法中薄壁叶片修复随形实心增厚工装的示意图；
图4为本发明高能束修复叶片缘边的方法中薄壁叶片修复增厚工装的结构示意图。
图中：1、高能束振镜；2、高能束；3、送粉管；4、叶片；5、U形夹具；6、高能束扫描斑点；7、U形夹具螺丝；8、同材质粉末；9、粉末舱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
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。
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。
如图1-4所示，本发明提供的高能束修复叶片缘边的方法，包括以下步骤：
S1：对叶片损伤区的损伤尺寸进行量取，获得叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸，以叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为切除位置将损伤区进行平面切除；
S2：以叶片原数模为基础，以叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为依据截取生成损伤区毛坯数模；
S3：以损伤区毛坯数模为输入采用切片轨迹生成软件，形成损伤区扫描路径规划模型；
S4：将叶片4放置在固定工装上，损伤区表面保持水平,并对损伤区进行增厚处理；
S5：将高能束振镜1放置在叶片4上方并保持水平，使高能束焦点位于损伤区表面；
S6：将送粉管3固定在损伤区表面上方，送粉管3与气载送粉器连通；
S7：将叶片放置在惰性气体保护箱中，当氧含量低于1000PPM后，打开气载送粉器和高能束发射器，依据步骤S2中形成的扫描路径规划模型开始高能束扫描沉积；
S8：待扫描沉积完成，关闭气载送粉器和高能束发射器，待叶片冷却至室温后将叶片从惰性气体保护箱中取出。
在上述实施例中，扫描路径规划模型采用损伤区毛坯的三维数模生成，利用叶片数模反求的方法或原始数模，截取生成出损伤区毛坯，通过对叶片损伤区形成扫描路径规划模型，使得后续高能束能够对损伤区进行精准的扫描修复，对损伤区进行增厚处理能防止由于叶片缘边薄而导致的基材熔塌。进行修复时，将被修复叶片4放置在高能束振镜1下面，损伤区表面与高能束振镜1的焦平面重合，即高能束振镜焦点位于被修复平面表面。
优选地，高能束2为激光，相应的高能束发射器为激光发射器，高能束振镜1为激光振镜。采用激光振镜扫描方式可实现以光斑直径为60-100μm的激光、以最快速度为7m/s的高速扫描。小光斑激光热量输入小，沉积精度搞，热影响区小，激光振镜扫描速度比现有技术采用的机械手或机床控制加工头运动速度大幅提升，提高扫描熔化速度。
具体地，在步骤S5中，采用机械手或机床将高能束振镜1固定在叶片4的上方。
具体地，送粉管3和高能束振镜1固定在同一机械手上，高能束振镜X单向扫描，机械手负责Y向搭接移动进行扫描沉积；或送粉管3和高能束振镜1分别固定在不同的机械手上，高能束振镜XY双向扫描，送粉管3根据高能束振镜Y向移动速度同步移动。采用高能束振镜选区扫描熔化同步送进的粉末，同步送进的粉末由条形状送粉管进行气载送粉，可以有效地解决薄壁结构修补过程中大热量输入导致的基材熔塌、形变和修补区的外形精度低的问题，实现薄壁结构的高精度修复。
具体地，在步骤S6中，送粉管3为条状送粉管，条状送粉管内的粉末材质与叶片的材质相同，条状送粉管采用侧向前送进的方式从损伤区起点移动至终点，以保证同材质粉末全覆盖叶片损伤区，条状送粉管的出粉端与高能束焦点间距小于或等于5毫米。高能束扫描斑点6位于U形夹具下方，采用高能束振镜选区扫描熔化同步送进的粉末和同步送进的粉末由条形状送粉管进行气载送粉的方式，可以有效地解决薄壁结构修补过程中的大热量输入导致的基材熔塌、形变和修补区的外形精度问题，实现薄壁结构的高精度修复。
具体地，高能束振镜1扫描方向平行于条状送粉管的长度方向，并垂直于条状送粉管的移动方向；高能束扫描搭接移动方向与条状送粉管移动方向相同且速度一致。
具体地，在步骤S3中，形成损伤区扫描路径规划模型过程中，以损伤区底面为扫描基础面，以50-100μm为层厚进行分层切片扫描。即将损伤区以50-100μm为层厚进行分层切片，高能束扫描间距为50μm。
具体地，在步骤S7中，高能束扫描形状与损伤区的截面相同或外扩1mm，充分保证了叶片缘边的修复质量。
具体地，在步骤S4中，增厚处理采用金属增厚片和U形夹具5，金属增厚片的材质与叶片的材质相同。采用金属增厚片和U形夹具进行增厚的方式适用于10mm以内的损伤，修复尺寸较小的时候基材形面可近似为平面，采用标准化金属增厚片实现增厚时，在缘边两侧各包裹一个与叶片同材质且厚度为0.5mm的金属片，同时损伤区两端也各包裹一个叶片同材质的金属片。
具体地，在步骤S4中，增厚处理采用粉末增厚和随形夹具，随形夹具包括U形夹具5和粉末舱9，粉末舱9通过U形夹具螺丝7固定在U形夹具5上。对于损伤区10mm以上的缘边损伤，宜采用粉末增厚和随形夹具，粉末舱9内装有同材质粉末8，同材质粉末8为与损伤叶片材质相同的粉末。同材质粉末8放入粉末舱9内，将叶片基材区埋入粉末内，并对粉末进行人工压实，高能束通过高能束振镜扫描按照损伤区的数模进行分层扫描，同步送进的带状粉末逐层熔化沉积在修复区表面，直到沉积高度达到损伤区的高度。
进一步地，下面以TC17钛合金高压压气机一级叶片叶尖缘边损伤修复为具体实施例进行描述，该修复叶片缘边的方法中采用激光扫描，其实现过程如下：
a、对损伤叶片的损伤尺寸进行量取，获得损伤叶片弦向和径向的损伤尺寸，以此为切除位置将损伤区进行平面切除。
b、以TC17钛合金高压压气机一级叶片原数模为基础，以损伤叶片弦向和径向尺寸为依据截取生成损伤区毛坯数模，并输出损伤区数模的STL格式文件。
c、以损伤区数模为输入采用切片轨迹生成软件，按50μm间距生成只有X方向扫描的扫描路径模型。
d、将被损伤叶片表面放置在固定工装上，损伤区表面保持水平，采用随形增厚工装对损伤区进行增厚处理，随形工装分为两部分，采用U形夹具进行固定，并采用机械手夹持激光振镜，将其放置在被修复叶片上方保持水平，测量激光振镜焦点并使其保持在被修复区损伤表面。
e、采用条状送粉管通过气载送粉器将30-50μm的TC17粉末送出，条状送粉管位于损伤修复区表面上方5mm处，具体地，条状送粉管底部与激光焦点间距5mm。送粉管固定在相同机械手上，与激光振镜保持相对位置固定。
f、将被修复零件放置在惰性气氛保护箱中，当氧含量低于1000PPM后开始激光扫描沉积。打开送粉器和激光器，选用300W激光进行扫描，送粉管和振镜以50mm/s的速度进行移动。
g、机械手提升100μm层厚，每层厚激光扫描沉积5次，开始下一层的扫描沉积直到损伤区数模全部扫描轨迹完成。关闭激光器和送粉器，待零件冷却至室温后将其从惰性气氛保护箱中取出。
综上所述，上述实施例采用激光振镜选区扫描熔化同步送进的粉末，同步送进的粉末由条形状送粉管进行气载送粉，可以有效地解决薄壁结构修补过程中大热量输入导致的基材熔塌、形变和修补区的外形精度低的问题，实现薄壁结构的高精度修复。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对叶片损伤区的损伤尺寸进行量取，获得所述叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸，以所述叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为切除位置将所述损伤区进行平面切除；
S2：以所述叶片原数模为基础，以所述叶片损伤区弦向和径向的损伤尺寸为依据截取生成损伤区毛坯数模；
S3：以所述损伤区毛坯数模为输入采用切片轨迹生成软件，形成损伤区扫描路径规划模型；
S4：将所述叶片(4)放置在固定工装上，所述损伤区表面保持水平,并对所述损伤区进行增厚处理；
S5：将高能束振镜(1)放置在所述叶片(4)上方并保持水平，使高能束焦点位于所述损伤区表面；
S6：将送粉管(3)固定在所述损伤区表面上方，所述送粉管(3)与气载送粉器连通；
S7：将所述叶片放置在惰性气体保护箱中，当氧含量低于1000PPM后，打开气载送粉器和高能束发射器，依据步骤S2中形成的扫描路径规划模型开始高能束扫描沉积；
S8：待扫描沉积完成，关闭气载送粉器和高能束发射器，待所述叶片冷却至室温后将所述叶片从惰性气体保护箱中取出。
2.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，所述高能束发射器为激光发射器，所述高能束(2)为激光，所述高能束振镜(1)为激光振镜。
3.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，在步骤S5中，采用机械手或机床将所述高能束振镜(1)固定在所述叶片(4)的上方。
4.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，所述送粉管(3)和所述高能束振镜(1)固定在同一机械手上，所述高能束振镜(1)X单向扫描，所述机械手负责Y向搭接移动进行扫描沉积；或所述送粉管(3)和所述高能束振镜(1)分别固定在不同的机械手上，所述高能束振镜(1)XY双向扫描，所述送粉管(3)根据所述高能束振镜(1)Y向移动速度同步移动。
5.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述送粉管(3)为条状送粉管，所述条状送粉管内的粉末材质与所述叶片的材质相同，所述条状送粉管采用侧向前送进的方式从所述损伤区起点移动至终点，以保证同材质粉末全覆盖所述叶片损伤区，所述条状送粉管的出粉端与高能束焦点间距小于或等于5毫米。
6.如权利要求5所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，所述高能束振镜(1)扫描方向平行于所述条状送粉管的长度方向，并垂直于所述条状送粉管的移动方向；所述高能束扫描搭接移动方向与所述条状送粉管移动方向相同且速度一致。
7.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，在步骤S3中，形成损伤区扫描路径规划模型过程中，以所述损伤区底面为扫描基础面，以50-100μm为层厚进行分层切片扫描。
8.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，在步骤S7中，所述高能束扫描形状与损伤区的截面相同或外扩1mm。
9.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述增厚处理采用金属增厚片和U形夹具(5)，所述金属增厚片的材质与所述叶片的材质相同。
10.如权利要求1所述的高能束修复叶片缘边的方法，其特征在于，在步骤S4中，所述增厚处理采用粉末增厚和随形夹具，所述随形夹具包括U形夹具(5)和粉末舱(9)，所述粉末舱(9)通过U形夹具螺丝(7)固定在所述U形夹具(5)上。
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