CN114260465A - 一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，步骤如下：1、根据薄壁单晶涡轮叶片（2）的截面形状加工相配合的光斑切割装置（3），并安装在薄壁单晶涡轮叶片待修复表面上；对薄壁单晶涡轮叶片待修复表面进行表面处理；2、测量薄壁单晶涡轮叶片截面各处厚度，并以此为依据在计算机上设置激光束的光斑直径变化程序、扫描路径和扫描速度，同时调整离焦量、激光功率和送粉速度；3、将薄壁单晶涡轮叶片装夹在通水冷却的底座（1）之上，随后一同放入激光修复成形仓中，在惰性气体保护下激光束（4）完成对薄壁单晶涡轮叶片的激光修复；对修复后的薄壁单晶涡轮叶片进行自适应加工，获得其最终尺寸精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，属涡轮叶片修复技术领域。
背景技术
薄壁单晶高温合金涡轮叶片是现代航空发动机的主要零部件之一，其铸造工艺复杂，成品率低，含有大量贵重元素，因此价格昂贵。叶片在恶劣的服役环境中会不可避免地承受高周疲劳、蠕变伸长、环境与热应力复合等因素影响，出现磨损、裂纹、表面烧蚀和腐蚀等问题，其中涡轮叶片端部磨损是主要损伤形式之一。如果采用新叶片替换仅存在微小铸造缺陷、叶尖部分磨损/裂纹的叶片，将造成材料的极大浪费，经济上也难以承受。
发展高效率、高精度和高质量的修复与再制造技术，恢复损伤叶片的气动外形、微观组织与力学性能，使其具备继续服役的能力，对于实现发动机性能指标、降低使用与维护成本，提高装备可靠性具有重要意义。
20世纪80年代以来，随着三代战机服役、民航业发展和中大型燃气轮机的大量应用，美、欧、日等国开始研究采及激光、电弧和电子束等高能束进行叶片损伤修复。近年来，随着金属增材制造技术的发展，基于增材原理的高能束再制造技术成为修复磨损、烧蚀和裂纹等损伤叶片的主要方式。
进入21世纪以来，单晶高能束修复技术发展大致经历了激光定向能量沉积（DED-L）、激光外延扫描（SLE）和电子束粉末床熔融（FPB-EB）三个阶段。
公告号CN108486567B公开了一种单晶涡轮叶片叶尖纳米颗粒增强耐磨涂层的制备方法，采用高能微弧火花沉积技术逐层沉积在叶尖部位制备纳米颗粒增强的耐磨涂层，获得外延生长的微观组织结构，其沉积效率较低。
公告号 CN113088962A公开了一种钛合金薄壁叶片损伤件的激光熔覆多方位修复方法，采用激光熔覆的方式对缺损部位进行多层叠加熔覆，从而恢复叶片形状尺寸。该方法修复区域加工余量和粗糙度较大，且无法对激光能量进行控制；
公告号CN103243242B公开了一种高温合金涡轮叶片修复材料及其修复工艺，采用高能微弧火花沉积技术对叶片端部进行逐层沉积修复，修复效率较低；
公告号CN107685220B公开了一种复杂薄壁高温合金热端部件裂纹的修复方法，采用粉末冶金的方法预置修复材料，最后采用激光对预置层进行重熔，获得修复区域粗糙度和加工余量较大，且无法对激光能量进行控制，存在叶片过度熔化的风险。
本发明针对薄壁单晶涡轮叶片叶尖磨损，提出采用光斑切割装置剔除激光光斑边缘能量较低的区域，从而使高激光能量区域集中在修复表面，可提高修复层精度，减少后续加工余量；同时能够在相同的功率条件下获得更高的修复层厚度以及更优异的组织取向一致性；本发明通过采用激光光斑切割的薄壁涡轮叶片修复技术，可以避免修复过程中激光对叶片薄壁的过度加热而造成熔化过度或修复层坍塌；通过调整激光的光斑大小或离焦量，切割激光光斑能量在合适的比例内，可实现各类变截面薄壁单晶涡轮叶片的快速精密修复。
发明内容
本发明的目的是，为了解决薄壁单晶涡轮叶片激光修复过程常常出现的再结晶、裂纹和过度熔化的难题，提出一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法。
本发明实现的技术方案如下，一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，包括以下步骤：
（1）根据薄壁单晶涡轮叶片的截面形状加工相配合的光斑切割装置，并安装在薄壁单晶涡轮叶片待修复表面上；对薄壁单晶涡轮叶片待修复表面进行表面处理，清除油污和残余应力。
（2）测量薄壁单晶涡轮叶片截面各处的厚度，并以此为依据在计算机上设置激光束的光斑直径变化程序、扫描路径和扫描速度；同时调整离焦量、激光功率和送粉速度；激光束的扫描轨迹按照薄壁单晶涡轮叶片的厚度中心线轮廓设定；薄壁单晶涡轮叶片的截面各处厚度测量按照薄壁单晶涡轮叶片的厚度中心线轮廓每1mm测量一个数值；按照截面各处厚度设置激光束的光斑直径的变化程序，光斑直径与截面厚度比例为2:1~4:1。
（3）将薄壁单晶涡轮叶片装夹在通水冷却的底座之上，随后一同放入激光修复成形仓中；在惰性气体保护下完成对薄壁单晶涡轮叶片的激光修复。
（4）对修复后的薄壁单晶涡轮叶片进行自适应加工，获得其最终尺寸精度要求。
所述光斑切割装置的上表面与薄壁单晶涡轮叶片的待修复表面必须平齐；光斑切割装置的材料为对激光高反射材料，厚度为1~20mm；为避免单晶涡轮叶片因热变形而卡死在光斑切割装置中，单晶涡轮叶片与光斑切割装置配合面保留一定间隙0.1~0.3mm之间，其间填充具有良好导热性的AlN粉末材料，粉末粒度为1~10μm。
所述对激光高反射材料，包括但不限于铜及铜合金、表面镀反射膜的其他材料。
所述激光扫描速度为2~20mm/s；离焦量为-4mm~+4mm；激光功率为800~3000W；送粉速度40~200g/min；激光光斑直径0.8~4mm；修复粉末粒度40~150μm，修复粉末采用与叶片材料相近金属粉末。
一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复装置，包括底座、激光修复成形仓、光斑切割装置和激光束；所述底座设置有水冷却装置，激光修复成形仓安装在底座上；薄壁单晶涡轮叶片放置在激光修复成形仓内；所述光斑切割装置安装在薄壁单晶涡轮叶片待修复表面上；在激光修复成形仓中，所述激光束在惰性气体保护下完成对薄壁单晶涡轮叶片的激光修复。
本发明的有益效果在于，本发明通过对激光光斑进行切割，可提高修复层精度，减少后续加工余量；同时能够在相同的功率条件下获得更高的修复层厚度以及更优异的组织取向一致性；本发明通过采用激光光斑切割的薄壁涡轮叶片修复技术，可以避免修复过程中激光对叶片薄壁的过度加热而造成熔化过度或修复层坍塌；通过调整激光的光斑大小或离焦量，切割激光光斑能量在合适的比例内，可实现各类变截面薄壁单晶涡轮叶片的快速精密修复。
附图说明
图1为薄壁单晶涡轮叶片激光修复过程示意图；
图中，1为底座；2为单晶涡轮叶片；3为光斑切割装置；4为激光束。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示。
本实施例一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，包括以下步骤：
（1）根据薄壁单晶涡轮叶片的截面形状加工相配合的光斑切割装置，光斑切割装置的材料采用对激光高反射材料（如铜及铜合金），并安装在薄壁单晶涡轮叶片待修复表面上，光斑切割装置的上表面与薄壁单晶涡轮叶片待修复表面保持平齐；对薄壁单晶涡轮叶片待修复表面进行表面处理，清除油污和残余应力。
（2）以薄壁单晶涡轮叶片的厚度中心线轮廓设定激光束的扫描轨迹；按照薄壁单晶涡轮叶片的厚度中心线轮廓每1mm测量一个数值以确定薄壁单晶涡轮叶片截面各处厚度，并以此为依据在计算机上设置激光束的光斑直径变化程序，同时设定光斑直径与截面厚度比例为2:1~4:1；激光扫描速度为2~20mm/s；离焦量为-4mm~+4mm；激光功率为800~3000W；送粉速度40~200g/min；激光光斑直径0.8~4mm；修复粉末粒度40~150μm，修复粉末采用与叶片材料相近金属粉末。
（3）将薄壁单晶涡轮叶片装夹在通水冷却的底座之上，随后一同放入激光修复成形仓中，在惰性气体保护下完成对薄壁单晶涡轮叶片的激光修复。
（4）对修复后的薄壁单晶涡轮叶片进行自适应加工，获得其最终尺寸精度要求。
下面通过具体实施例，对本发明进一步详细阐述。
实施例：某航空发动机高压涡轮叶片采用PWA1484单晶高温合金，由于长期与机匣发生高速摩擦，叶尖部位发生1.1mm的磨短，需要进行接长修复。
该涡轮叶片为薄壁结构，每1mm测量叶片薄壁厚度得出叶尖横截面壁厚在0.2mm~1.4mm连续变化。激光扫描路径规划采用沿叶片薄壁厚度单道扫描；按照厚度分为2段：尾缘部分，厚度0.2~1.4mm连续变化，该段长度5mm，设置激光功率1200W，光斑直径2~4mm连续变化（通过光斑自动调节系统实现），离焦量0mm，扫描速度10mm/s，送粉速率90g/min；其他部分，厚度0.5mm~0.6mm，设置激光功率1000W，光斑直径1.8mm，离焦量0mm，扫描速度12mm/s，送粉速率130g/min。粉末粒度80~150μm，修复粉末采用与叶片材料相近金属粉末；生成数控程序，导入激光修复设备。按照损伤待修复薄壁单晶涡轮叶片待修复截面的形状加工光斑切割装置，
光斑切割装置采用纯度99.95%的纯铜，厚度3mm，内部装夹孔宽度0.8mm，将损伤待修复薄壁单晶涡轮叶片进行打磨、清洗处理后装夹进专用工装，装夹完成后在间隙出填入AlN微粉，粒度1~10μm，保证良好热传导，待修复端面与光斑切割装置表面平齐。将装夹好的叶片放入激光修复设备中预定位置，开启激光修复设备，设定初始位置，按照既定程序完成缺损部位的激光增材修复。最后将修复后的单晶涡轮叶片进行后续机加工、清洗等处理，完成修复工作。
Claims (5)
1.一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
（1）根据薄壁单晶涡轮叶片的截面形状加工相配合的光斑切割装置，并安装在薄壁单晶涡轮叶片待修复表面上；对薄壁单晶涡轮叶片待修复表面进行表面处理，清除油污和残余应力；
（2）测量薄壁单晶涡轮叶片截面各处的厚度，并以此为依据在计算机上设置激光束的光斑直径变化程序、扫描路径和扫描速度；同时调整离焦量、激光功率和送粉速度；激光束的扫描轨迹按照薄壁单晶涡轮叶片的厚度中心线轮廓设定；薄壁单晶涡轮叶片的截面各处厚度测量按照薄壁单晶涡轮叶片的厚度中心线轮廓每1mm测量一个数值；按照截面各处厚度设置激光束的光斑直径的变化程序，光斑直径与截面厚度比例为2:1~4:1；
（3）将薄壁单晶涡轮叶片装夹在通水冷却的底座之上，随后一同放入激光修复成形仓中；在惰性气体保护下完成对薄壁单晶涡轮叶片的激光修复；
（4）对修复后的薄壁单晶涡轮叶片进行自适应加工，获得其最终尺寸精度要求。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，其特征在于，所述光斑切割装置的上表面与薄壁单晶涡轮叶片的待修复表面必须平齐；光斑切割装置的材料为对激光高反射材料，厚度为1~20mm；为避免单晶涡轮叶片因热变形而卡死在光斑切割装置中，单晶涡轮叶片与光斑切割装置配合面保留间隙0.1~0.3mm，其间隙填充具有良好导热性的AlN粉末材料，粉末粒度为1~10μm。
3.根据权利要求1所述的一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，其特征在于，所述激光扫描速度为2~20mm/s；离焦量为-4mm~+4mm；激光功率为800~3000W；送粉速度40~200g/min；激光光斑直径0.8~4mm；修复粉末粒度40~150μm，修复粉末采用与叶片材料相近的金属粉末。
4.根据权利要求2所述的一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法，其特征在于，所述对激光高反射材料，包括但不限于铜及铜合金、表面镀反射膜的其他材料。
5.实现如权利要求1所述一种薄壁单晶涡轮叶片激光修复方法的薄壁单晶涡轮叶片激光修复装置，其特征在于，所述装置包括底座、激光修复成形仓、光斑切割装置和激光束；所述底座设置有水冷却装置，激光修复成形仓安装在底座上；薄壁单晶涡轮叶片放置在激光修复成形仓内；所述光斑切割装置安装在薄壁单晶涡轮叶片待修复表面上；在激光修复成形仓中，所述激光束在惰性气体保护下完成对薄壁单晶涡轮叶片的激光修复。
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