CN114150367A - 一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温合金相关技术领域，并公开了一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统。该方法包括下列步骤：S1对于材料为高温合金单晶的待修复对象，确定该待修复对象的<001>晶向；S2在待修复对象上待修复处开槽，利用金属粉末进行激光熔覆逐层填补该槽，以此实现待修复对象的修复，其中，在激光熔覆过程中，离轴热流方向垂直与所述槽中坡面内表面，且所述离轴热流方向与<001>中角度最近的晶向的夹角不超过30°，以此抑制修复过程中杂晶的生长。本发明还公开了上述修复方法所采用的修复系统。通过本发明，解决高温合金单晶修复过程中易于产生杂晶和裂纹的问题。

Description

一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统

技术领域

本发明属于高温合金相关技术领域，更具体地，涉及一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统。

背景技术

航空航天行业对于涡轮发动机的叶片材料有极高的性能标准，特别是在恶劣的运行环境下，对于材料的延展性，高温强度，疲劳抗力，蠕变性能和抗氧化性都有一定的要求。镍基单晶高温合金由于消除产生偏析的全部晶界和晶界强化元素，展现了在超过1700℃的高温工作环境下依旧稳定的力学性能和抗氧化性能。目前的单晶叶片采用“精密铸造+定向凝固”的复杂制造工艺，成品率低，制造成本昂贵。但由于在严苛环境中的长期服役，单晶叶片会不可避免的出现不同类型的损伤如开裂、振动磨损、氧化腐蚀等。这种局部的损伤同样对于叶片的性能有着极大的影响，情况严重甚至会导致叶片的直接开裂。同直接的叶片更换相比，通过修复和再制造技术，恢复受损叶片的微观组织和气动外形，再现其优异的力学性能，对于成本的维护和设备可靠性的意义更为深远。

传统叶片修复中，单一形状的重塑工作已无法满足单晶叶片内部的晶体学取向的一致性，这在零件的修复过程中会产生杂晶、裂纹等缺陷，使得传统的修复工作难以再现零件的高温使用性能。然而通过激光熔覆实现单晶的外延生长，达到单晶修复的目的，目前已被证实为可行高效的修复手段之一。同时，在优化的工艺窗口内，激光熔覆增材技术，可以实现单晶基体的外延生长，在晶体学取向方面，沉积层与基体材料保持高度一致，有望满足单晶叶片的修复需求。但是，实际的修复环境与实验测试不同，外部环境的波动会影响单晶修复过程中的温度梯度，凝固速度等因素。所以，高温合金单晶的激光修复工艺仍需进一步的完善。

镍基高温合金为面心立方晶体，其<100>方向为择优生长方向，单晶的多方向同时竞争生长会促使在枝晶的交叉位置上，发生柱状晶向等轴晶的转变，从而阻断单晶的外延生长。单晶的择优生长方向与激光热流移动方向和单晶生长方向相关联，即通过控制热流移动方向，可以促进单晶微观组织在同一方向上的持续外延生长。针对于不平整的叶片表面的裂纹，激光修复中的离轴热流是不可避免的会影响到晶体生长，甚至会在熔覆层再次产生杂晶和裂纹。因此，控制好修复过程中的角度，是复杂几何结构修复的关键。此外，激光熔覆的工艺参数，以及局部的热输入所带来的稳定高温度梯度(>10⁶K/m)，都有利于在熔覆层中形成于母材晶体取向相似的单晶结构。

上海交通大学刘朝阳等人通过在激光加工过程中接入换热器，并在工作部位加入环形冷却装置(CN201610102930.7)，增大温度梯度，对于涡轮叶片叶尖的修复效果显著。但是对于形状和修复轮廓不规则的叶片壁，冷却系统对于离轴热流的效果较弱，单晶的外延组织的择优生长方向收到热流方向的干扰，容易产生杂晶，甚至出现裂纹。西北工业大学李磊等人在冷却系统的基础之上加入加热保温装置(CN201910999704.7)，对待修复叶片进行分区域多温度控制，减少温度差，降低修复后的热应力和热变形。然而加热线圈消除不了激光熔覆过程中离轴热流移动对于单晶生长的影响，因此该方法只能满足叶片平整表面的修复。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统，解决高温合金单晶修复过程中易于产生杂晶和裂纹的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，该方法包括下列步骤：

S1对于材料为高温合金单晶的待修复对象，确定该待修复对象的<001>晶向；

S2在待修复对象上待修复处开槽，利用金属粉末进行激光熔覆逐层填补该槽，以此实现待修复对象的修复，其中，在激光熔覆过程中，离轴热流方向垂直与所述槽中坡面内表面，且所述离轴热流方向与<001>中角度最近的晶向的夹角不超过30°，以此抑制修复过程中杂晶的生长。

进一步优选地，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中需保证熔池与待修复对象基体之间稳定的温度梯度。

进一步优选地，在步骤S1中，所述高温合金单晶为镍基高温合金。

进一步优选地，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中熔覆层的温度为700℃～900℃，所述待修复对象基体温度为-20℃～-50℃。

进一步优选地，在步骤S2之后还需对待修复对象进行热处理，以去除残余应力。

进一步优选地，在步骤S2中，所述金属粉末的粉末粒径为45μm～105μm。

进一步优选地，在步骤S2中，所述激光熔覆的激光功率600W～1800W，扫描速度20mm/s～50mm/s，送粉量6g/min～20g/min，光斑直径1mm～2mm，多道熔覆层搭接率10％～50％。

按照本发明的另一个方面，提供了一种上述所述的修复方法的修复系统，其特征在于，该修复系统包括工作台、激光器、加热线圈、传感器和冷却单元，其中：

待修复对象放置在工作台上，所述激光器用于进行激光熔覆，所述加热线圈设置在待修复对象上方，用于对激光熔覆的熔池进行加热，以保持熔池的温度，所述传感器用于实时监测熔池的温度，所述冷却单元设置在工作台下方，用于对待修复对象基体进行冷却，以保证熔池和基体之间稳定的温度梯度。

进一步优选地，所述工作台上还设置有散热片，待修复对象放置在散热片上，便于待修复对象更好的散热。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中通过在待修复处开槽，且保证激光熔覆过程中离轴热流方向与单晶的最优取向小于30°角度，利用离轴热流方向控制单晶的外延组织的择优生长方向，避免在熔覆过程中产生杂晶，出现裂纹；

2.本发明在激光熔覆过程中保持熔池与基体之间的温度梯度，在获得较大的温度梯度同时保持较小的凝固速度，消除了在激光熔覆过重中离轴热流方向的移动对单晶生长的影响，使重熔过程中杂晶消除，达到高效修复单晶组织的效果；

3.本发明中提供的修复方法，其不仅仅适用于形状和修复轮廓规则的产品，同时也适用于形状和修复轮廓不规则的产品，其不受修复产品形态的影响，适用范围广，尤其适用于涡轮叶片壁的修复。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的修复过程原理图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的修复过程的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的轴热流方向成形与晶向不同夹角的单晶组织微观形貌；

图4是按照本发明的优选实施例1所构建的修复后单晶微观组织示意图；

图5是按照本发明的优选实施例2所构建的修复后单晶微观组织示意图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的修复系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种高温合金单晶材料缺陷的激光熔覆修复方法，特别是对于单晶涡轮叶片内部带有不规整轮廓的缺陷，进行开槽激光修复方法和装置。该工艺方案旨在通过找到一个合适的热流沉积方向的范围，以此来减小缺口轮廓形状随熔覆过程变化的影响，然后通过主动加热和主动冷却装置的调控保持恒定的温度梯度和高凝固速率，最后选择最优化的工艺参数和方法，使得单晶修复过程中的外延生长保持稳定并且连续。

为了实现上述技术方案，本发明分别从工艺方法进行描述，上述方法有如下操作步骤：

(1)确定待修复单晶叶片晶向；

(2)在受损叶片的开裂部位开槽，并将裂纹部分完全覆盖；

(3)如图1所示，将待修复部分置于主动加热和主动冷却的安装支架上，确定离轴热流方向与单晶<001>中角度最近的晶向形成夹角应在0°～30°之间，并且激光热流方向与基板保持垂直；

(4)激光加工方向应为同一方向的金属粉末沉积，在合适的工艺窗口下，逐层堆积填补开槽部位；

(5)激光熔覆完成后，对修复叶片进行去应力热处理。

进一步的，在步骤(2)中，开槽通过机械加工方法实现，并且开槽形状规则。

进一步的，在步骤(4)中，金属粉末成分应与基体材料相同或相近，粉末粒径为45μm～105μm。

进一步的，在步骤(4)中，合适的工艺窗口为激光功率600W～1800W，扫描速度20mm/s～50mm/s，送粉量6～20g/min，光斑直径1～2mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率10％～50％。

进一步的，开口角度影响离轴热源和[001]取向的夹角，90度的开口角度对应45度的离轴夹角，在V形槽修复案例中，坡口角度θ与离轴夹角β存在简单的几何关系，即θ＝180-2β，θ大于等于120°。

如图6所示，实现上述修复方法的修复系统包括：10kW感应加热线圈，双色高温计，铜散热片和水冷系统。其中感应加热线圈与双色高温计都接入控制系统，根据所示温度来精确调控熔池温度，双色高温计聚焦在熔池上，双色高温计光斑尺寸为0.5mm，铜散热片和水冷系统都设置于工作基板下方。

进一步的，感应加热线圈在激光器头x-y方向移动时保持固定不动，加热线圈与冷却系统与样品支架相连，支架仅能沿z轴移动，每层熔覆层移动距离为0.5mm。

进一步的，双色高温计显示熔池温度应保持在700℃～900℃，冷却系统应保持温度在-20℃～-50℃。

本发明提出一种单晶涡轮叶片内部裂纹或细小裂纹等局部缺陷的开槽激光熔覆修复方法和装置。通过对复杂几何形状部位进行定向、定角度开槽修复，特别是对激光离轴热流方向与单晶生长方向的夹角控制在0°～30°范围内，抑制杂晶的产生，保证外延组织的高效持续生长；

另外，通过对温度的控制以确保温度梯度的稳定，并采用较高的激光功率和扫描速度，使重熔过程中杂晶消除，达到高效修复单晶组织的目的。

下面将结合具体的是实施例进一步说明本发明。

如图2所示，用线切割取待修复叶片半径为5mm，厚度3mm的圆柱试样，用于EBSD确定晶向。

如图3所示，测试并观察离轴热流与晶向所形成不同角度的单晶组织微观形貌，确定合适的加工角度范围。

确定待修复叶片示例晶向为[001]，通过机械加工的V型槽的开口角度为θ，离轴热流方向与晶向的夹角为β，激光热流方向与基板保持垂直，离轴热流方向与V型槽轮廓线垂直。

所使用的金属粉末为GH738高温合金，其化学组分为(wt.％)：Ni-7Cr-7.5Co-1.2Al-2.75Ti-3.5Mo，粉末粒径为45μm～105μm。使用前，置于120℃干燥箱内烘干2小时。

所采用激光熔覆工艺为同一方向加工，使用激光功率600W～1800W，扫描速度20mm/s～50mm/s，送粉量6～20g/min，光斑直径1～2mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率10％～50％。

感应加热线圈与双色高温计都接入控制系统，根据所示温度来精确调控熔池温度，双色高温计聚焦在熔池上，光斑尺寸为0.5mm，铜散热片和水冷系统都设置于工作基板下方。感应加热线圈在激光器头x-y方向移动时保持固定不动，加热线圈与冷却系统与样品支架相连，支架仅能沿z轴移动，每层熔覆层移动距离为0.5mm。

实施例1

根据本发明所提出案例，分以下步骤进行。

(1)定晶向：取待修复叶片部分组织，制样并用EBSD确定晶体取向。

(2)酸洗：清理涡轮叶片待修复区，开V型槽，开口角度θ为120°，离轴热流方向与择优晶向的最大夹角β为30°，激光热流方向保持垂直，离轴热流方向与V型槽轮廓线垂直。

(3)激光加工：使用激光功率为1800W，扫描速度为30mm/s，送粉量为12g/min，光斑直径1mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率50％。

(4)温度调节：通过调节感应加热线圈功率，使得双色高温计显示熔池温度保持在900℃，冷却系统保持温度在-20℃，每一层熔覆层结束后，工作平台连带安装支架一同沿z轴方向下降0.5mm，并微调感应加热线圈功率，使得在整个激光加工过程中保持稳定的温度梯度，实现单晶外延的稳定生长。

(5)修复后检测：在逐层填补V型槽之后，对材料进行去除参与热应力处理，并做缺陷或损伤检测。

如图4所示，V型槽开口角度θ为120°的激光熔覆修复后的微观组织，单晶外延生长较为完整，修复效果较好。

实施例2

步骤与实施例1相同，不同之处在于离轴热流方向与择优晶向的最大夹角β为15°，熔池温度在700℃，基体温度为-50℃，使用激光功率为1200W，扫描速度为40mm/s，送粉量为20g/min，光斑直径2mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率20％。V型槽开口角度θ为125°的激光熔覆修复后的微观组织，单晶外延生长较为完整，修复效果较好。

实施例3

步骤与实施例1相同，不同之处在于离轴热流方向与择优晶向的最大夹角β为10°，熔池温度在800℃，基体温度为-40℃，使用激光功率为600W，扫描速度为20mm/s，送粉量为6g/min，光斑直径1mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率10％。V型槽开口角度θ为130°的激光熔覆修复后的微观组织，单晶外延生长较为完整，修复效果较好。

实施例4

步骤与实施例1相同，不同之处在于离轴热流方向与择优晶向的最大夹角β为25°，熔池温度在750℃，基体温度为-30℃，使用激光功率为1600W，扫描速度为50mm/s，送粉量为10g/min，光斑直径1.5mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率25％。V型槽开口角度θ为135°的激光熔覆修复后的微观组织，单晶外延生长较为完整，修复效果较好。

实施例5

步骤与实施例1相同，不同之处在于离轴热流方向与择优晶向的最大夹角β为5°，熔池温度在850℃，基体温度为-45℃，使用激光功率为1400W，扫描速度为30mm/s，送粉量为18g/min，光斑直径2mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率23％。V型槽开口角度θ为140°的激光熔覆修复后的微观组织，单晶外延生长较为完整，修复效果较好。

对比例1

(1)定晶向：取待修复叶片部分组织，制样并用EBSD确定晶体取向。

(2)酸洗：清理涡轮叶片待修复区，开V型槽，开口角度θ为90°，离轴热流方向与择优晶向的最大夹角β为45°，激光热流方向保持垂直，离轴热流方向与V型槽轮廓线垂直。

(3)激光加工：使用激光功率为1800W，扫描速度为30mm/s，送粉量为12g/min，光斑直径1mm，保护气氩气出气量15mL/min，多道熔覆层搭接率50％。

(4)温度调节：通过调节感应加热线圈功率，使得双色高温计显示熔池温度保持在900℃，冷却系统保持温度在-20℃，每一层熔覆层结束后，工作平台连带安装支架一同沿z轴方向下降0.5mm，并微调感应加热线圈功率，使得在整个激光加工过程中保持稳定的温度梯度，实现单晶外延的稳定生长。

(5)修复后检测：在逐层填补V型槽之后，对材料进行去除参与热应力处理，并做缺陷或损伤检测。

如图5所示，V型槽开口角度θ为90°的激光熔覆修复后的微观组织，可以明显观察到裂纹和杂晶的产生。由此可以看出离轴热流对于激光修复的影响。

可以看出，本发明有以下特点：

(1)在对已有规整的叶片叶尖的修复基础上，通过定向、定角度开槽修复，增加了叶片复杂几何形状部位的局部缺陷修复方式。

(2)在具体实施方面，也提出同方向沉积方式和优化的工艺参数。

(3)在操作装置上加入主动加热装置，来保证稳定的温度梯度和凝固速度，使得单晶的修复过程中的外延生长持续稳定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1对于材料为高温合金单晶的待修复对象，确定该待修复对象的<001>晶向；

S2在待修复对象上待修复处开槽，利用金属粉末进行激光熔覆逐层填补该槽，以此实现待修复对象的修复，其中，在激光熔覆过程中，离轴热流方向垂直与所述槽中坡面内表面，且所述离轴热流方向与<001>中角度最近的晶向的夹角不超过30°，以此抑制修复过程中杂晶的生长。

2.如权利要求1所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中需保证熔池与待修复对象基体之间稳定的温度梯度和凝固速度。

3.如权利要求1所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S1中，所述高温合金单晶为镍基高温合金。

4.如权利要求或2所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中熔覆层的温度为700℃～900℃，所述待修复对象基体温度为-20℃～-50℃。

5.如权利要求1所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2之后还需对待修复对象进行热处理，以去除残余应力。

6.如权利要求1或2所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述金属粉末粉末粒径为45μm～105μm。

7.如权利要求1或2所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光熔覆的激光功率600W～1800W，扫描速度20mm/s～50mm/s，送粉量6g/min～20g/min，光斑直径1mm～2mm，多道熔覆层搭接率10％～50％。

8.一种进行权利要求1-7任一项所述的修复方法的修复系统，其特征在于，该修复系统包括工作台、激光器、加热线圈、传感器和冷却单元，其中：

待修复对象放置在工作台上，所述激光器用于进行激光熔覆，所述加热线圈设置在待修复对象上方，用于对激光熔覆的熔池进行加热，以保持熔池的温度，所述传感器用于实时监测熔池的温度，所述冷却单元设置在工作台下方，用于对待修复对象基体进行冷却，以保证熔池和基体之间稳定的温度梯度。

9.如权利要求8所述的修复系统，其特征在于，所述工作台上还设置有散热片，待修复对象放置在散热片上，便于待修复对象更好的散热。

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