CN112059449B - 一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及航空发动机焊接修复技术领域，具体涉及一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法。针对钛合金叶盘、叶片损伤修复区微观缺陷、组织状态对力学性能特别是疲劳寿命产生影响的问题，以及航空发动机焊接及增材制造修复产品的高可靠性技术需求，本发明提出了一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的工艺方法，在采用钨极氩弧焊(TIG)、电子束熔丝沉积(EBDM)等焊接或增材制造修复工艺修复具有高疲劳寿命需求的零部件的过程中，利用压力通电装置对修复层进行逐点加压和通电处理，获得高疲劳寿命的修复区。本发明能够在不改变原有修复区冶金特性及微观织构的前提下，实现对修复区内部气孔等缺陷进行挤压和弥合作用，从而大幅提升焊接或增材制造修复区的疲劳寿命，满足制造技术复杂、高成本、高可靠性零部件损伤修复需求及可靠性要求。

Description

一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法
技术领域
本发明涉及航空发动机焊接修复技术领域，具体涉及一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法。
背景技术
以焊接工艺为代表的修复技术，具有适用性强、冶金结合稳定和成本低廉等诸多优点，已广泛应用于各类军用、民用零部件的修理工业中。近年来，以增材制造工艺为代表的精密修复技术也逐渐应用和拓展，特别是在航空航天领域应用更为深入和广泛。但是，对于需承受持久载荷、交变载荷及其叠加作用的航空发动机产品零件，如钛合金叶盘、叶片等零部件来说，在应用中会承受由气动力载荷引起的振动循环对叶盘的高周疲劳和启动-运行-停机循环造成的低周疲劳，决定整体叶盘疲劳强度和寿命的是由动态应力响应造成叶盘局部高频震动引起的疲劳破坏。因此，钛合金叶盘、叶片等零件修复技术的可靠性，特别是提高修复区的疲劳寿命是决定整体叶盘修复可靠性的关键因素。通常采用焊接或增材制造形成的工艺修复区难以避免地存在内部气孔等微小缺陷。
发明内容
针对钛合金叶盘、叶片损伤修复区微观缺陷、组织状态对力学性能特别是疲劳寿命产生影响的问题，以及航空发动机焊接及增材制造修复产品的高可靠性技术需求，本发明提出了一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的工艺方法，在采用钨极氩弧焊(TIG)、电子束熔丝沉积(EBDM)等焊接或增材制造修复工艺修复具有高疲劳寿命需求的零部件的过程中，利用压力通电装置对修复层进行逐点加压和通电处理，获得高疲劳寿命的修复区。
本发明的提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法包括以下步骤：
S1：采用适用于钛合金零件修复的焊接工艺或增材制造工艺，向钛合金零件需要修复的区域逐层沉积适配钛合金的焊丝，单层沉积厚度1～1.5mm，根据需要修复区域的高度，沉积进行单层或多层。当沉积多层时，每沉积一层之后铣削去除0.2～0.3mm，继续沉积下一层，沉积多层时沉积高度不大于3mm；形成高度不大于3mm的修复层。
S2：采用压力通电装置对步骤S1所述修复层进行处理：所述压力通电装置包括上电极、下电极、变压器、电源和压力装置，所述上电极和下电极通过变压器连接电源，电源能通过变压器在上下电极、钛合金零件和铜垫板形成的电路中加载较高的电流，所述压力装置分别连接上电极和下电极，能够在上电极和下电极之间加载压力。将在步骤S1中形成修复层的钛合金零件放置在上下电极之间，修复层朝向上电极，钛合金零件和下电极之间设置铜垫板，铜垫板与下电极接触，铜垫板能在加压过程中保护钛合金零件避免放电烧伤和压痕，如果需要修复的零件具有复杂曲面，则采用能和零件紧密贴合的仿形铜垫板。
上电极能够在修复层表面移动，对修复层表面全部区域进行逐点的加压通电处理，上电极优选采用圆头电极。上电极对修复层施加电极压力为9.0～10.0kN，通电的加载电流为6000～9000A，每个处理点加压和通电维持时间为0.15～0.24s，相邻的处理点之间搭接率为40～60％。
S3：铣削去除步骤S2所述修复层逐点加压通电处理形成的压痕区厚度，形成沉积处理层，。去除的压痕区厚度一般约0.2～0.3mm，相对应的，形成的沉积处理层厚度约为0.7～2.8mm。
S4：将步骤S1～S3进行一次或重复进行多次，重复进行多次时后一次在前一次步骤S3形成的沉积处理层上继续沉积修复层；直至最后一次步骤S1形成的修复层表面整体高于钛合金零件需要修复区域设计表面0.3mm以上，这部分预留的高度，是为后续的最后一次步骤S2和S3中去除压痕和后续的表面加工过程提供余量。之后进行最后一次步骤S2和步骤S3，对形成的修复区表面按照钛合金零件表面尺寸和精度要求进行加工，形成冶金质量好、疲劳寿命高且符合零件表面尺寸和精度要求的修复区。
如果需要修复区域的表面在设计上有复杂曲面，则在最后一次进行步骤S1，形成修复层后，在最后的修复层表面按照钛合金零件表面设计的形状进行仿形机械加工，加工后相对钛合金零件需要修复区域的设计表面留有0.3mm以上余量，以便于进行最后一次步骤S2和S3时去除压痕。如果需要修复区域的表面在设计上是平面或形状较简单，则无需提前进行仿形机械加工，最后一次进行步骤S2和S3后，按照钛合金零件表面尺寸和精度要求进行常规加工即可。
优选的，S1中的焊接工艺采用钨极氩弧焊(TIG)，S1中的增材制造工艺采用电子束熔丝沉积。
优选的，在步骤S4后对钛合金零件按照适合所述钛合金及相应的焊丝的特性的工艺进行消除应力的真空热处理。
优选的，S2中所述压力装置为增压气缸。
步骤S2中的逐点加压通电处理过程中，加压的作用为：使得微小缺陷弥合或发生界面反应而使其消除。加载电流的作用为：提高修复区温度使得消除缺陷的过程更易进行或更为彻底。经检测气孔等微小缺陷消除率可达70％以上。由于每次加压通电对修复区表面以下2～3mm范围的缺陷消除效果最明显，所以采用逐步沉积修复层并进行处理的方法来提高处理效果，每次沉积的修复层高度不超过3mm。
本发明的有益效果：本发明能够在不改变原有修复区冶金特性及微观织构的前提下，实现对修复区内部气孔等缺陷进行挤压和弥合作用，从而大幅提升焊接或增材制造修复区的疲劳寿命。经本专利工艺方法修复的TC17等钛合金的零部件，相比普通的焊接或增材制造工艺，可消除气孔70％以上，特别对于超过0.4mm以上的大气孔更加有效。经本发明中的方法得到的修复区的旋转弯曲疲劳极限能达到母材疲劳极限的90％以上。本发明中的方法可以为钛合金叶盘、叶片等零件的修复提供优秀的复合工艺及性能，满足制造技术复杂、高成本、高可靠性零部件损伤修复需求及可靠性要求。
附图说明
图1为本发明实施例1中压力通电装置处理修复区的原理图。
附图标记：1-上电极，2-修复区，3-试样，4-铜垫板，5-下电极。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1
本实施例所用的压力通电装置如图1所示，包括上电极1、下电极5、变压器、电源和图中未画出的增压气缸，所述上电极1和下电极5通过变压器连接电源，电源能通过变压器在上电极1、修复区2、试样3、铜垫板4和下电极5形成的电路中加载较高的电流，增压气缸分别连接上电极1和下电极5，能够在上电极1和下电极5之间加载压力。
步骤1：选取TC17钛合金锻件并粗加工成200×30×35基板试样3，用于模拟需修复零件的待修复区，以方便后续进行高周疲劳性能测试。采用钨极氩弧焊(TIG)工艺沿试样3长端逐层向试样3表面沉积HSX-1焊丝，单层沉积厚度1.2mm，每沉积一层之后铣削去除0.2mm，继续沉积下一层，直至沉积高度达到2.4mm，形成高度2.4mm的修复层。
步骤2：将试样3放置在上述压力装置上下电极之间，修复层朝向上电极1，试样3和下电极5之间设置铜垫板4，铜垫板4与下电极5接触，上电极1对修复层表面全部区域进行逐点加压通电处理，形成工艺处理区。对修复层施加电极压力为9.5kN，通电的加载电流为7000A，每个处理点加压和通电维持时间为0.2s，处理点之间搭接率为50％。
步骤3：铣削去除步骤2中形成的工艺处理区的压痕厚度，形成2～2.1mm的沉积处理层。
步骤4：在上一沉积处理层上重复步骤1～步骤3，直至沉积处理层总厚度达30mm，形成用于高周疲劳性能测试的修复区2。因为此试样仅是为了模拟真实修复的情况，所以对于修复区表面不进行加工，如果是实际修复时，还需将修复区加工至满足零件型面设计尺寸及精度要求。
步骤5：将试样3连同修复区2共同进行消除应力的真空热处理，热处理条件为：620℃±10℃，2h。
将步骤5得到的试样3线切割成
Figure BDA0002687683420000041
的试棒，并进行X射线三维成像检测，未发现检测精度范围内的气孔等微观缺陷。同时将步骤5得到的试样3加工成标准旋转弯曲疲劳试样并进行检测，结果表明旋转弯曲疲劳极限能达到母材疲劳极限的90％以上。对于未采用本专利的处理方法的试样，其旋转弯曲疲劳极限仅能达到母材疲劳极限的70％甚至更低。
实施例2
本实施例所用的压力通电装置和实施例1基本相同，其区别在于将试样3换成实际需修复的TC17钛合金叶片，铜垫板需要根据零件部位进行仿形加工以保证可靠贴合。根据叶片修复尺寸特征，本实例中采用电子束熔丝工艺无论修复层，还是沉积处理层，均仅需要沉积1层即可。
步骤1：需修复的钛合金零件为TC17钛合金叶片，采用电子束熔丝沉积工艺向叶片需要修复的区域沉积HSX-1焊丝，单层沉积厚度1.5mm，即可满足叶片修复区及仿形加工后尺寸要求。
步骤2：对修复区进行仿形机械加工并留有余量0.3mm，装配仿形铜垫板并满足紧密贴合要求。
步骤3：将叶片放置在上述压力装置上下电极之间，修复层朝向上电极，叶片和下电极之间设置仿形铜垫板，铜垫板与下电极接触，上电极对修复层表面全部区域进行逐点加压通电处理，形成工艺处理区。对修复层施加电极压力为9.0kN，通电的加载电流为6000A，每个处理点加压和通电维持时间为0.15s，处理点之间搭接率为50％。
步骤4：对修复区进行精密机械加工并满足叶片型面尺寸及精度要求。
步骤5：将叶片连同修复区进行消除应力的真空热处理，热处理条件为620℃±10℃，2h。
本实例尚未进行长期试车考核，但对其进行的振动疲劳测试表明，其疲劳极限可达550MPa，3×107循环周次以上。对于未采用本专利的处理方法的叶片或模拟件，其振动疲劳极限仅能达到300MPa甚至更低。同期的裂纹断口SEM检测结果也表明，振动疲劳寿命对于微观缺陷更为敏感，高应力振动疲劳区表面或近表面即使微米级缺陷也会对振动疲劳寿命产生直接影响。

Claims (6)

1.一种提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用焊接工艺或增材制造工艺，向钛合金零件需要修复的区域逐层沉积焊丝，单层沉积厚度1～1.5mm，沉积单层或多层，当沉积多层时每沉积一层之后铣削去除0.2～0.3mm，继续沉积下一层，沉积多层时沉积总高度不大于3mm，形成高度不大于3mm的修复层；
S2：采用压力通电装置对步骤S1所述修复层进行处理：所述压力通电装置包括上电极、下电极、变压器、电源和压力装置，所述上电极和下电极通过变压器连接电源，所述压力装置能够对上电极和下电极之间加载压力，将所述钛合金零件放置在上下电极之间，修复层朝向上电极，钛合金零件和下电极之间设置铜垫板，铜垫板与下电极接触，上电极对修复层表面全部区域进行逐点加压通电处理，对修复层施加电极压力为9.0～10.0kN，通电的加载电流为6000～9000A，每个处理点加压和通电维持时间为0.15～0.24s，相邻处理点之间搭接率为40～60％；
S3：铣削去除步骤S2所述修复层逐点加压通电处理形成的压痕区厚度，形成沉积处理层；
S4：将步骤S1～S3进行一次或重复进行多次，重复进行多次时后一次在前一次步骤S3形成的沉积处理层上继续沉积；直至最后一次步骤S1形成的修复层表面整体高于钛合金零件需要修复区域设计表面0.3mm以上，进行最后一次步骤S2和步骤S3，对修复区表面按照钛合金零件表面尺寸和精度要求进行加工。
2.根据权利要求1所述的提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法，其特征在于，在步骤S4后对钛合金零件按照适合所述钛合金和修复所用的焊丝特性的工艺进行消除应力的真空热处理。
3.根据权利要求1或2所述的提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法，其特征在于，所述S1中的焊接工艺为钨极氩弧焊。
4.根据权利要求1或2所述的提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法，其特征在于，所述S1中的增材制造工艺为电子束熔丝沉积。
5.根据权利要求1或2所述的提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法，其特征在于，步骤S2所述压力装置为增压气缸。
6.根据权利要求1或2所述的提高钛合金零件焊接或增材修复区疲劳寿命的方法，其特征在于，所述钛合金零件有复杂曲面，步骤S2中的铜垫板为仿形铜垫板，仿形铜垫板能够和钛合金零件紧密贴合；在所述步骤S4中最后一次进行步骤S1后，对最后一次步骤S1形成的修复表面进行仿形机械加工，所述仿形机械加工按照钛合金零件表面设计形状进行，相对于钛合金零件需要修复区域的设计表面留有0.3mm以上余量，之后再进行最后一次步骤S2和步骤S3。
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