CN111687594A - 一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，属于航天发动机叶片修复技术领域，包括：将叶片损伤区域切除后的留存叶片与补充叶片以搅拌摩擦焊处理，保证经搅拌摩擦焊后去除余量的修复叶片焊缝为接头的最佳性能。搅拌摩擦焊技术不会产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力和变形小，而且接头组织致密，性能良好，能够保持除焊缝外修复叶片形状和结构，保持了修复叶片的高性能。本发明的方法修复成本低，可广泛应用于发动机整体叶盘叶片和可拆卸式叶盘叶片的各种复杂叶型的修复，修复后叶片寿命长。

Description

一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法

技术领域

本发明属于航空发动机叶片修复技术领域，涉及一种修复发动机盘片大面积损伤的方法，尤其是一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法。

背景技术

作为航空发动机中的重要组成部分，叶片对于发动机的性能至关重要，在全寿命使用周期内的工况和承受载荷十分复杂，结构系统面临高温、高强和复杂振动的挑战，在发动机服役运行过程中因外物引起的叶片大面积损伤严重制约发动机的寿命。

航空发动机叶片在实际服役过程中容易形成大面积的损伤，如叶片的缺损、大尺寸凹坑、叶缘毛边等使叶片端部的厚度减薄，造成级效率降低，此外损伤造成叶片重量的减少，引起叶片振动特性的改变，逐个损伤凹坑的修复不仅工作量大，而且修复难度大，切割、替换补修的方法可满足大面积损伤的修复的需要，搅拌摩擦焊技术不会产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力和变形小，而且接头性能良好，能够满足航空发动机盘片的服役性能要求。

切除损伤后的叶片截面在前后缘很薄，传统的通过采用等厚平板与叶片对接，在前后缘处焊缝两侧的厚度差较大，在修复中容易引起变形等问题。

发明内容

针对上述叶片存在的叶片大面积损伤、叶片叶型复杂且搅拌摩擦修复接头位置差异而引起的性能差异问题，本发明目的在于一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，该方法能够提高修复叶片的性能和服役寿命，修复的成本低，修复后使用寿命长。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，包括以下步骤：

1)将失效叶片沿着一条向外包含全部损伤和过量变形区域的切割路线切除损伤和变形区域，得到留存叶片；

2)去除留存叶片的可脱落残屑以及污染物，将留存叶片与设置加工余量的补偿叶片装配固定，装配后以及修复过程中留存叶片与补偿叶片的接触面为完全贴合状态；

3)利用搅拌摩擦焊搅拌头的高速旋转和顶锻压力作用将留存叶片与补偿叶片连接，搅拌针扎入深度满足搅拌针端点扎透留存叶片且位于留存叶片以下不小于1mm，搅拌头轴肩与留存叶片上表面距离不小于1mm，得到的修复叶片焊缝区域为细晶组织；

4)将留存叶片与补偿叶片连接完成后的修复件加工处理以去除余量，得到型面精度满足需要的叶片。

优选地，步骤1)中，所述的切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取空间直线或曲面直线。

优选地，步骤2)中，留存叶片和补偿叶片焊缝区焊核组织的纵向高度大于留存叶片厚度至少2mm；留存叶片上表面与补偿叶片上表面之间的距离，满足焊核组织上沿在留存叶片上表面之上且距离大于1mm；搅拌头的搅拌针的长度满足焊核组织下沿在留存叶片的下表面之下且距离大于1mm。

优选地，步骤3)中，搅拌摩擦焊处理过程中搅拌针的转速为100～1000r/min，搅拌针平移速度为25～250mm/min。

优选地，补偿叶片为具有卡槽的一体结构或由多个部分组装而成的多体结构，补偿叶片留有加工余量，用于连接修复后的型面精度恢复。

优选地，步骤4)中，去除余量采用车、钳、铣、刨和磨中的一种或多种加工方式。

优选地，步骤4)后还包括对修复后叶片进行防护后处理的操作。

优选地，所述防护后处理是指采用热处理、磨抛、喷丸、激光冲击强化、渗层和涂层中的一种处理或多种组合处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明针对发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修技术，将叶片损伤区域切除后的留存叶片与补充叶片以搅拌摩擦焊处理，保证经搅拌摩擦焊后去除余量的修复叶片焊缝为接头的最佳性能。搅拌摩擦焊技术不会产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力和变形小，而且接头组织致密，性能良好，能够保持除焊缝外修复叶片形状和结构，保持了修复叶片的高性能。本发明的搅拌针扎入深度满足搅拌针端点扎透留存叶片且位于留存叶片以下不小于1mm，搅拌针扎入深度与搅拌头轴肩与留存叶片上表面距离对于叶片修复的接头性能与型面尺寸有很大影响。当扎入深度过浅时，留存叶片与补偿体不能完全熔化形成良好的界面结合；当距离过低时，轴肩会对表面产生压应力，修复后叶片表面的型面精度无法在机加工中减材恢复。本发明的方法修复成本低，可广泛应用于发动机整体叶盘叶片和可拆卸式叶盘叶片的各种复杂叶型的修复，修复后叶片寿命长。

进一步地，在向外包含全部损伤和变形区域并且在除叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取空间直线或曲面直线作为切割路线，以简化补偿叶片加工和缩短连接路径长度。

进一步地，搅拌摩擦焊处理过程中搅拌针的转速为100～1000r/min，搅拌针平移速度为25～250mm/min。搅拌摩擦焊的转速与平移速度，根据损伤接修的位置和大小会在该范围内进行调整，当修复叶身部位时转速较慢，可以降低热输入，避免周围晶粒有较大的热影响区；当修复面较大时，降低平移速度，满足接头良好成形。

附图说明

图1为单体补偿式搅拌摩擦焊接修示意图；

图2为多体补偿式搅拌摩擦焊接修示意图。

其中：1-轴肩；2-留存叶片；3-搅拌针；4-焊核区域；5-补偿叶片；6-分体式补偿体焊缝。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，为本发明的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修示意图，图中，δ1为留存叶片上表面至补偿叶片上表面的距离，δ1存在的目的是为了：1、避免压应力对留存叶片直接产生挤压变形；2、留存叶片对接焊接时会产生气孔、咬边等缺陷，留有一定厚度的δ1可以对气泡进行引流至表面去除，一定厚度δ1还可以补偿下方的咬边沟槽。在设计时，满足以上两点要求下，尽可能薄化厚度，减少热输入。

δ2为补偿叶片下表面至搅拌针端点垂直距离，因为在搅拌摩擦焊接过程中，如果不能完全扎透留存叶片与补偿体凹槽，就不能形成良好的接头结构，但δ2的厚度在不影响成形与性能下可以尽量减小。

δ3为搅拌针端点至补偿叶片下表面垂直距离，δ3存在是因为搅拌针不必完全扎透整个补偿体，当搅拌摩擦焊接头成形与性能良好，可以增大δ3，或减小(δ2+δ3)形成的下方补偿体厚度，减小焊接阻力。

实施例1

一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，包括以下步骤：

1)、切除叶片的失效区域，切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在除叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取曲面直线，以简化补充叶片加工和缩短连接路径长度。

2)、将切割留存叶片与补充叶片进行装配并固定，保证装配后补充叶片与切割留存叶片的接触面完全贴合。

3)、将装配后的工件采用搅拌摩擦焊接修，在修复过程中搅拌头的转速为800r/min，搅拌摩擦头的移动速度为160mm/min。

4)、采用铣、刨、磨的方法去除接修后叶片的余量，得到形状、尺寸满足需要的叶片。

对修复后的叶片做后处理，本次后处理为接头热处理，热处理条件为1180℃保温2h，再升温至1230℃保温3h，再进行空冷，对叶片表面进行喷丸处理后喷涂ZrO₂涂层。

实施例2

一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，包括以下步骤：

1)、切除叶片的损伤区域，切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在除叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取曲面直线，以简化补充叶片加工和缩短连接路径长度。

2)、将切割留存叶片与补充叶片进行装配并固定，保证装配后补充叶片与切割留存叶片的接触面完全贴合。

3)、将装配后的工件采用搅拌摩擦焊接修，在修复过程中搅拌头的转速为900r/min，搅拌摩擦头的移动速度为160mm/min。

4)、采用铣、刨、磨的方法去除接修后叶片的余量，得到形状、尺寸满足需要的叶片。

对修复后的叶片做后处理，本次后处理为接头热处理，热处理条件为1180℃保温2h，再升温至1230℃保温3h，再进行空冷，后在叶片表层进行激光冲击强化。

实施例3

一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，包括以下步骤：

1)、切除叶片的损伤区域，切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在除叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取曲面直线，以简化补充叶片加工和缩短连接路径长度。

2)、将切割留存叶片与补充叶片进行装配并固定，保证装配后补充叶片与切割留存叶片的接触面完全贴合。

3)、将装配后的叶片采用搅拌摩擦焊接修，在修复过程中搅拌头的转速为800r/min，搅拌摩擦头的移动速度为160mm/min。

4)、采用铣、刨、磨的方法去除接修后叶片的余量，得到形状、尺寸满足需要的叶片。

对修复后的叶片做后处理，本次后处理为接头热处理，热处理条件为1180℃保温2h，再升温至1230℃保温3h，再进行空冷至1100℃保温4h空冷，后空冷至870℃保温14h，后空冷至室温，最后在叶片表层进行铝盐渗层处理防护。

实施例4

一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，包括以下步骤：

1)、切除叶片的损伤区域，切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在除叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取曲面直线，以简化补充叶片加工和缩短连接路径长度。

2)、将切割留存叶片与补充叶片进行装配并固定，保证装配后补充叶片与切割留存叶片的接触面完全贴合。

3)、将装配后的叶片采用搅拌摩擦焊接修，在修复过程中搅拌头的转速为900r/min，搅拌摩擦头的移动速度为160mm/min。

4)、采用铣、刨、磨的方法去除接修后叶片的余量，得到形状、尺寸满足需要的叶片。

对修复后的叶片做后处理，本次后处理为接头热处理，热处理条件为1180℃保温2h，再升温至1230℃保温3h，再进行空冷至1100℃保温4h空冷，后空冷至870℃保温14h，后空冷至室温，最后在叶片表层制备TiN/ZrN抗冲蚀涂层进行表面防护。

综上所述，本发明的修复方法包括：清理洁化凹坑损伤区域，切除叶片的损伤区域，切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在除叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取空间直线或曲面直线，以简化补充叶片加工和缩短连接路径长度；将切割留存叶片与补充叶片进行装配并固定，固定之后利用搅拌摩擦焊接修，将接修后的叶片去除余量，得到形状尺寸满足需要的叶片，并将余量去除后的修复叶片进行后处理。由于叶片叶型复杂，切除损伤后的叶片截面厚度不同，同时需要补充结构留有余量以便接修后的加工，搅拌摩擦焊接修的接头组织因位置的不同而性能有所区别，将接头最佳组织预设在加工后的修复叶片中有利于提高修复叶片的整体性能和服役寿命。本发明通过搅拌摩擦焊缝技术实现切割、替换大面积损伤叶片，并通过预设尺寸的方式控制接头的最佳组织在余量加工后留存在修复叶片的焊缝，以此来提高修复叶片的性能和服役寿命。修复的成本低，修复后使用寿命长。

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 (8)

1.一种发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将失效叶片沿着一条向外包含全部损伤和过量变形区域的切割路线切除损伤和变形区域，得到留存叶片；

2)去除留存叶片的可脱落残屑以及污染物，将留存叶片与设置加工余量的补偿叶片装配固定，装配后以及修复过程中留存叶片与补偿叶片的接触面为完全贴合状态；

3)利用搅拌摩擦焊搅拌头的高速旋转和顶锻压力作用将留存叶片与补偿叶片连接，搅拌针扎入深度满足搅拌针端点扎透留存叶片且位于留存叶片以下不小于1mm，搅拌头轴肩与留存叶片上表面距离不小于1mm，得到的修复叶片焊缝区域为细晶组织；

4)将留存叶片与补偿叶片连接完成后的修复件加工处理以去除余量，得到型面精度满足需要的叶片。

2.根据权利要求1所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，步骤1)中，所述的切割路线是向外包含全部损伤和变形区域并且在叶片前缘或后缘距离5mm之外的范围取空间直线或曲面直线。

3.根据权利要求1所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，步骤2)中，留存叶片和补偿叶片焊缝区焊核组织的纵向高度大于留存叶片厚度至少2mm；留存叶片上表面与补偿叶片上表面之间的距离，满足焊核组织上沿在留存叶片上表面之上且距离大于1mm；搅拌头的搅拌针的长度满足焊核组织下沿在留存叶片的下表面之下且距离大于1mm。

4.根据权利要求1所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，步骤3)中，搅拌摩擦焊处理过程中搅拌针的转速为100～1000r/min，搅拌针平移速度为25～250mm/min。

5.根据权利要求1所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，补偿叶片为具有卡槽的一体结构或由多个部分组装而成的多体结构，补偿叶片留有加工余量，用于连接修复后的型面精度恢复。

6.根据权利要求1所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，步骤4)中，去除余量采用车、钳、铣、刨和磨中的一种或多种加工方式。

7.根据权利要求1所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，步骤4)后还包括对修复后叶片进行防护后处理的操作。

8.根据权利要求7所述的发动机盘片大面积损伤的搅拌摩擦焊接修方法，其特征在于，所述防护后处理是指采用热处理、磨抛、喷丸、激光冲击强化、渗层和涂层中的一种处理或多种组合处理。

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