CN113172387A - 一种光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，该方法基于光电复合技术，采用ESD微弧沉积工艺形成微区冶金结合，利用激光优化熔焊对ESD层进行激光重熔，激光仿形熔铸至缺陷被熔焊愈合，完成导向叶片裂纹的修复。本发明突破传统高Al+Ti含量铸造高温合金裂纹与缺陷只能采用钎焊的工艺方法；实现高Ai+Ti≧7％含量铸造高温合金裂纹与缺陷的冶金方法，提高焊补的强度以达到与母体强度接近或相等的要求；可重复施焊，大大提高修复产品的合格率；施焊方法简单可靠，经济价值与社会价值高。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机及燃气轮机热端部件修复技术领域，具体涉及一种光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法。
背景技术
涡轮导向叶片为航空发动机及燃气轮机热端关键部件，为铸造高温合金 (Al+Ti≧9％)多为Co基Ni基材料。在航空发动机及燃气轮机工作中，导向叶片受热冲击、燃气腐蚀和振动载荷作用，在叶片的叶身(冷气孔、R角)和缘板的部位产生裂纹并扩展超标，使得叶片不能继续装机使用。为减少成本，提高生产效率，需要对超出标准的裂纹进行焊接修复。
现有技术焊接修复位真空钎焊，但存在以下问题：裂纹尖端往往钎焊料扩散不进去，易形成假焊、虚焊；钎焊料与导向叶片基体不是冶金结合，结合强度低；只能钎焊以此，不可重复修理；对空心内腔、开放性裂纹还不可实施。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，目的是解决目前钎焊工艺所遇的问题：实现行为为无冶金缺陷冶金结合的熔焊方式；达到等强度或近等强度要求；可进行多次修复；不受裂纹状态、位置所限。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，该方法基于光电复合技术，采用ESD微弧沉积工艺形成微区冶金结合，利用激光优化熔焊对ESD层进行激光重熔，激光仿形熔铸至缺陷被熔焊愈合，完成导向叶片裂纹的修复。
所述ESD微弧沉积工艺中，HAZ(热影响区域)为0.02mm，熔合区为0.02mm，放电时间为10-6秒。利用电弧微区放电原理，将施焊材料以离子态形式过渡到被焊(工件)材料表面，形成微区冶金结合，其冶金特点在于HAZ极小(0.02mm) 熔合区小(0.02mm)放电时间短10-6秒，真对铸造高温合金(Ai+Ti≧6％)的熔焊有着极佳效果，不会导致r′相析出，也不会产生液相裂纹。
通过激光能量的优化，使激光辐照所产生的的热熔区刚好对ESD层进行重熔，以达到ESD区域涂层致密化但又控制叶片基体不熔化。
所述激光仿形熔铸采用置粉方式辅助CAD控制对激光熔铸路线进行优化；采用1000WYAG激光器电流：180-210A；脉宽:40-70ms；焦距：160-210mm；位移速度：3-7mm/s；每层置粉厚度：0.6～0.7mm。对ESD致密化处理后，采用置粉方式(粉末床法)辅助CAD控制对激光熔铸路线进行优化，直至缺陷被熔焊愈合。
所述置粉方式为粉末床法。
所述ESD微弧沉积工艺参数为电流:40-60A、电压:50-60V、频率：270-300hz、能量密度：40-50％；涂层厚度为0.3～0.5mm，全程氩气(99.99％纯度)保护。
所述激光重熔参数为采用1000WYAG激光器，电流：160-180A脉宽:30-50ms焦距：160-200mm位移速度：2-5mm/s。
所述导向叶片进行真空热处理，具体为真空度为10-2以上，空冷是接入Ar 气(纯度99.99％)冷却，冷却前抽连接管道内空气，保证管道无氧状态。
导向叶片在ESD微弧沉积处理前进行预热处理，预热温度为300℃～350℃。
导向叶片热障涂层去除方式为吹砂法去除。
本发明的技术方案的具体步骤如下：
步骤一、去除涡轮导向叶片叶身和缘板上TBC涂层；所述的步骤1中，热障涂层去除方式为，采用吹砂法去除，具体见：GB/T 8923.1-2011。
步骤二、裂纹去除与清理
采用机械打磨方式去除叶身和缘板上裂纹，并进行检查确认裂纹完全去除，形成缺口；贯穿性裂纹则完全单侧打开，形成U形坡口，坡口宽度≧2≦3mm。
步骤三、处理工件预热处理；工件与马弗炉内预热并恒温2H；预热温度 300℃～350℃之间，一般夏季300℃，冬季350℃；施焊过程中保持300℃～350℃之间，采用石棉布包裹叶片，但要露出施焊部位，在预热前奖叶片包裹后进炉预热。
步骤四、采用ESD(微弧沉积工艺)进行底层施焊；
(1)制作相同材料或相近成份材料电极棒，采用同等材料或极近材料的粉末，通过激光成型方法，制作成
棒条状，然后车加工成
的圆棒。；
(2)将沉积机的阴极连接叶片，电极棒连接ESD工作枪，阴极与工件的连接要保证连接良好，制作专用的夹具，不形成电极与工件之间的放电；
(3)设置参数，根据电极棒的粗细来做调整，本案中A:60A、V:60V、频率： 280hz、能量密度：50％。；
(4)对叶片待加工表面进行沉积涂层制备，涂层制备厚度为0.3～0.5mm，根据基体材料而定，光亮、无氧化全程氩气(99.99％纯度)保护。
步骤五、激光重熔与激光仿形熔铸
采用1000WYAG激光器A：180A脉宽:30ms焦距：160mm位移速度： 3mm/s，调节激光的可控能量对ESD进行重熔处理，目的是对ESD层致密性处理；
激光熔铸，CAD辅助运动对缺陷区内进行焊料填充直至满足加工要求，采用1000WYAG激光器A：200A脉宽:50ms焦距：170mm位移速度：4mm/s 每层置粉厚度：0.6～0.7mm。
步骤六、荧光与X光
荧光按标准，荧光前对仿形熔铸部件进行打磨清理，微区打磨整形采用小型手持式打磨机，金刚石磨头进行，预留精整量(0.1mm)。
X光按标准(HB/Z60-1996)，采用增强型胶片。
步骤七、真空热处理
在步骤六合格后对叶片进行真空热处理，处理温度按叶片的材质确定，真空度为10-2以上，空冷是接入Ar气(纯度99.99％)冷却，冷却前抽连接管道内空气，保证管道无氧状态。
步骤八、荧光检查
荧光检查执行标准(HB/Z61-1998)
对故检超标件进行标识
步骤九、合格品进入下一流程，不合格零件重复2-8步骤。
本申请技术工艺具体步骤如下：
步骤1过渡层ESD工艺方法与其工艺特点有利于其他工艺
ESD微弧沉积工艺：
步骤2激光优化熔焊
步骤3激光仿形熔铸
本发明优点：
1、突破传统高Al+Ti含量铸造高温合金裂纹与缺陷只能采用钎焊的工艺方法；
2、实现高Ai+Ti≧7％含量铸造高温合金裂纹与缺陷的冶金方法，提高焊补的强度以达到与母体强度接近或相等的要求；
3、可重复施焊，大大提高修复产品的合格率；
4、施焊方法简单可靠，经济价值与社会价值高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1：焊前荧光检测图示；
图2：焊后X光检验图示。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种光-电复合法修复导向叶片裂纹技术，包括以下步骤
步骤1裂纹去除与清理
采用机械打磨方式去除叶身和缘板上裂纹，并进行检查确认裂纹完全去除，形成缺口；贯穿性裂纹则完全单侧打开，形成U形坡口，坡口宽度≧2≦3mm。
步骤2工件预热处理
(1)工件与马弗炉内预热并恒温2H；
(2)预热温度300℃～350℃之间，夏季300℃，冬季350℃；
(3)施焊过程中保持300℃～350℃之间，采用石棉布包裹叶片，但要露出施焊部位，在预热前奖叶片包裹后进炉预热。
步骤3采用ESD(微弧沉积工艺)进行底层施焊
制作相同材料或相近成份材料电极棒，采用同等材料或极近材料的粉末，通过激光成型方法，制作成
棒条状，然后车加工成
的圆棒；将沉积机的阴极连接叶片，电极棒连接ESD工作枪，阴极与工件的连接要保证连接良好，制作专用的夹具，不形成电极与工件之间的放电；设置参数，根据电极棒的粗细来做调整，本实施例中A:60A、V:60V、频率：280hz、能量密度：50％。；对叶片待加工表面进行沉积涂层制备，涂层制备厚度为0.3～0.5mm，根据基体材料而定，光亮、无氧化全程氩气(99.99％纯度)保护。
步骤4激光重熔与激光仿形熔铸
调节激光的可控能量对ESD进行重熔处理，目的是对ESD层致密性处理；采用1000WYAG激光器A：180A脉宽:30ms焦距：160mm位移速度： 3mm/s。
激光熔铸，CAD辅助运动对缺陷区内进行焊料填充直至满足加工要求，采用1000WYAG激光器A：200A脉宽:50ms焦距：170mm位移速度：4mm/s；每层置粉厚度：0.6～0.7mm。
步骤5荧光与X光
荧光按标准，荧光前对仿形熔铸部件进行打磨清理，微区打磨整形采用小型手持式打磨机，金刚石磨头进行，预留精整量(0.1mm)。
X光按标准，采用增强型胶片。
步骤6真空热处理
在步骤5合格后对叶片进行真空热处理，处理温度按叶片的材质确定，真空度为10-2以上，空冷是接入Ar气(纯度99.99％)冷却，冷却前抽连接管道内空气，保证管道无氧状态
步骤7荧光检查
步骤8合格品进入下一流程，不合格零件重复2-78步骤。焊前和焊后检测如图1和2所示。
实施例2
本实施例提供了一种涡轮导向叶片裂纹的修复方法，包括以下步骤：
步骤1过渡层ESD工艺方法与其工艺特点有利于其他工艺
ESD微弧沉积工艺：利用电弧微区放电原理，将施焊材料以离子态形式过渡到被焊(工件)材料表面，形成微区冶金结合，其冶金特点在于HAZ极小 (0.02mm)熔合区小(0.02mm)放电时间短10-6秒，真对铸造高温合金 (Ai+Ti≧6％)的熔焊有着极佳效果，不会导致r′相析出，也不会产生液相裂纹。
步骤2激光优化熔焊
通过激光能量的优化，使激光辐照所产生的的热熔区刚好对ESD层进行重熔，以达到ESD区域涂层致密化但又控制叶片基体不熔化。
步骤3激光仿形熔铸
对ESD致密化处理后，采用置粉方式(粉末床法)辅助CAD控制对激光熔铸路线进行优化，直至缺陷被熔焊愈合。
步骤4对经X光/荧光检查的不合格萍，可通过上述重复进行操作，直至合格。
Claims (9)
1.一种光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：该方法基于光电复合技术，采用ESD微弧沉积工艺形成微区冶金结合，利用激光优化熔焊对ESD层进行激光重熔，激光仿形熔铸至缺陷被熔焊愈合，完成导向叶片裂纹的修复。
2.根据权利要求1所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：所述ESD微弧沉积工艺中，HAZ为0.02mm，熔合区为0.02mm，放电时间为10-6秒。
3.根据权利要求1所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：所述激光仿形熔铸采用置粉方式辅助CAD控制对激光熔铸路线进行优化；采用1000WYAG激光器电流：180-210A；脉宽:40-70ms；焦距：160-210mm；位移速度：3-7mm/s；每层置粉厚度：0.6～0.7mm。
4.根据权利要求3所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：所述置粉方式为粉末床法。
5.根据权利要求1所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：所述ESD微弧沉积工艺参数为电流:40-60A、电压:50-60V、频率：270-300hz、能量密度：40-50％；涂层厚度为0.3～0.5mm，全程氩气(99.99％纯度)保护。
6.根据权利要求1所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：所述激光重熔参数为采用1000WYAG激光器，电流：160-180A脉宽:30-50ms焦距：160-200mm位移速度：2-5mm/s。
7.根据权利要求1所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：所述导向叶片进行真空热处理，具体为真空度为10-2以上，空冷是接入Ar气(纯度99.99％)冷却，冷却前抽连接管道内空气，保证管道无氧状态。
8.根据权利要求1所述光电复合修复涡轮导向叶片裂纹的方法，其特征在于：导向叶片在ESD微弧沉积处理前进行预热处理，预热温度为300℃～350℃。
9.根据权利要求1所述光电复合修复导向叶片裂纹的方法，其特征在于：导向叶片热障涂层去除方式为吹砂法去除。
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