CN114406268B - 一种单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复方法，包括以下步骤：1）根据待修复涡轮叶片的缺陷情况判断是否进行修复，具体判断为，如果缺陷深度为侧壁厚度50%以上，或者缺陷为气膜孔附近的缺陷，则放弃修复；否则准备进行修复；2）根据缺陷具体情况进行前处理；3）将待修复涡轮叶片置于转台上，采用环形光斑、光内同轴送料的方式进行激光增材修复，修复过程中转动转台调整待修复涡轮叶片的位置，以保证激光入射线和涡轮叶片表面法线之间的夹角小于15°；4）将激光增材修复后的涡轮叶片立即放入热处理炉中进行热处理以去除热应力。本发明方法切实可行，可延长叶片使用使用寿命，减少发动机制造、维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及高温合金技术领域，尤其是涉及一种单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复方法。
背景技术
目前航空发动机单晶空心涡轮叶片形状和制造工艺复杂，制造过程中的杂晶、裂纹、气孔等缺陷使得国内成品率低于15%，服役过程中由于工作环境恶劣而出现磨损、蚀坑和裂纹，叶片使用一段时间后会因此而报废。对服役前的不合格叶片和服役后的受损叶片进行修复，可以节约昂贵的高温合金材料，延长叶片的使用寿命。具有复杂内腔结构的单晶叶片铸造成本昂贵，一个发动机叶片造价通常上百万元，以单晶叶片修复代替更换可以大大降低发动机的维护成本。国际上认为一般修复成本低于制造成本的70%，则修复工作是有效的。传统的单晶叶片的修理的方法有钎焊、TIG焊、电子束焊、激光增材修复等。
其中激光增材修复技术是利用激光高能量的特点将跟激光头出光瞬间同步送出的粉末或丝材进行快速融化，快速凝固后形成与基体材料冶金结合的熔覆层组织，二者之间的界面在很窄的区域内迅速产生分子或原子级交互扩散，同时形成牢固的冶金结合。这项技术具有热源尺寸小、热影响区域和形变小、能量密度高、导入工件集中等优势。
然而，目前的单晶高温合金涡轮叶片的激光增材修复主要应用于叶尖的接长修复和叶根部分区域修复，采用常规修复方法难以完成到叶片侧壁的修复。
发明内容
本发明的目的，即在于采用激光增材的修复方法，对单晶高温合金涡轮叶片侧壁进行修改处理。
本发明的技术方案具体为，一种单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复方法，其特征在于包括以下步骤：
1）根据待修复涡轮叶片的缺陷情况判断是否进行修复，具体判断为，如果缺陷深度为侧壁厚度50%以上，或者缺陷为气膜孔附近的缺陷，则放弃修复；否则准备进行修复；
2）对于缺陷区域面积小于等于5mm2的小范围缺陷，如缺陷深度小于等于侧壁厚度的25%，则对缺陷区域进行打磨处理，如缺陷深度大于侧壁厚度的25%，则沿缺陷开坡口；对于缺陷区域面积大于5mm2的大范围缺陷，无论深浅，都需要将缺陷区域全部打磨；
3）将待修复涡轮叶片置于转台上，采用环形光斑、光内同轴送料的方式进行激光增材修复，修复过程中转动转台调整待修复涡轮叶片的位置，以保证激光入射线和涡轮叶片表面法线之间的夹角小于15°；
4）将激光增材修复后的涡轮叶片立即放入热处理炉中进行热处理以去除热应力。
进一步优选的，步骤2）处理后，待修复区域的表面粗糙度达到Ra0.8。
进一步优选的，步骤3）中，将冷却气管路与涡轮叶片榫头处进行对接，利用涡轮叶片自身的气流通路，将低温氩气输送到涡轮叶片的各个位置。
进一步优选的，控制所述激光增材修复的单位面积能量输入E维持在50~60J·mm-2，所述单位面积能量输入E为，
，其中P为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径。
进一步优选的，所述坡口角度选择60°-75°。
进一步优选的，光斑直径控制在1mm-2mm之间。
进一步优选的，扫描速度控制在200mm/min-400mm/min之间。
进一步优选的，对于小范围缺陷，采用单道熔覆修复；对于大范围缺陷，采用多道搭接的方式进行修复，搭接率控制在40%-50%之间。
进一步优选的，所述光内同轴送料的速度为5g/min-12g/min，送料为粉末或丝材。
进一步优选的，所述热处理为放入500℃-600℃的热处理炉中保温5-8小时。
与现有技术相比，本发明提出了一种单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复方法，能够实现叶片侧壁的高效修复。本发明中特别的激光加工头，形成环形激光光斑，可同时实现光内送粉或送丝，大大提高了熔池的稳定性和粉末的利用率；通过调控单位面积能量输入、光斑直径、送粉量（或送丝量）、激光功率和扫描速度等工艺参数，可形成微小熔池，进行高精度的激光修复作业。本发明根据不同的缺陷位置、不同的缺陷类型提出了专用的修复方法，制定了不同的修复方案和参数，同时采用气冷等手段加快散热，能有效减少修复区域的杂晶数量，并防止叶片变形。
附图说明
图1为本发明激光增材修复的加工示意图。
图2为本发明实施例1的激光增材修复区域的显微组织照片。
图3为本发明实施例2的激光增材修复区域的显微组织照片。
图4为本发明比较例1的激光增材修复区域的显微组织照片。
具体实施方式
以下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描述。
本发明的技术方案主要有以下三个步骤：
1.涡轮叶片前处理
首先需根据涡轮叶片的缺陷具体情况判断是否能够进行修复，对于深度为侧壁厚度50%以上的缺陷，以及气膜孔附近的缺陷，本发明无法进行修复，如果不是上述两种情况，可以继续执行修复。
服役后受损叶片需打磨除去缺陷位置的热障涂层。对于缺陷面积小于等于5mm2的凹坑、裂纹、表面再结晶等小范围缺陷，如缺陷较浅，如缺陷深度小于等于侧壁厚度的25%，只需对缺陷区域进行打磨即可进行修复，如缺陷较深，如缺陷深度大于侧壁厚度的25%，则需沿缺陷开坡口，坡口角度选择60°-75°，角度太小难以进行修复，角度太大会导致修复区域过大且易产生杂晶。对于缺陷面积大于5mm2的磨损等大范围缺陷，则选择打磨整个缺陷区域。所有处理后区域表面粗糙度需达到Ra0.8，以保证修复区域与基体进行良好结合。
加工完成后，使用化学除污剂去除表面油污和杂质，然后使用热水清洗和流水冲洗，最后使用无水乙醇清洗，清洗完成后将无水乙醇吹干。
2.激光修复
图1为单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复加工示意图，其中，1为激光加工头，2为涡轮叶片，3为转台，4为冷却气管路。激光加工头1由数控机床或机械手进行带动，可在XYZ三个方向上自由移动。激光通过特殊的光路经过聚焦透镜形成环形光斑，光斑直径最小可达1mm。本发明采用光内同轴送料的方式，送料管路可实现粉末或丝材的输送。采用粉末为原材料时，粉末几乎无发散现象，光和粉的耦合稳定性比光外多路同轴送粉要好的多，同时大大减少粉末的浪费，并提高表面质量，提高成形精度。采用丝材为原材料时，丝材垂直进入熔池，能够减少对熔池的扰动，减少修复区域杂晶的数量，也能提高成形精度和表面质量。由于涡轮叶片2表面为弧形，激光加工时激光入射线和涡轮叶片2表面法线可能存在夹角，若夹角大于15°，修复区域的杂晶数量将大大增加，为此，在激光增材修复时，将涡轮叶片2放置在转台3上，转台3可带动涡轮叶片进行转动，从而在修复过程中转动转台3调整待修复的涡轮叶片2的位置，以保证激光加工过程中前述夹角小于15°，减少修复区域杂晶数量，提高修复质量。同时，还优选将冷却气管路4与涡轮叶片2的榫头处进行对接，利用涡轮叶片2自身的气流通路，将低温氩气输送到涡轮叶片2的各个位置，在加工过程中冷却涡轮叶片2，不仅能提高修复区域熔池的温度梯度，减少杂晶的数量，也能够减少热应力，防止涡轮叶片2变形。
由于叶片侧壁较薄，修复区域小，为实现单晶的生长和防止叶片变形，修复时需严格控制工艺参数，特别是能量输入。单位面积能量输入E有如下公式：
式中，P为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径。单位面积能量输入过小时，无法熔化叶片表面形成熔池，无法完成修复，单位面积能量输入过大时，熔化区域过大，会带来较大的热应力，导致叶片变形，甚至可能直接将叶片侧壁贯穿。发明人发现，为保证修复质量，单位面积能量输入需维持在50~60J·mm-2。为防止热输入过大，光斑直径一般控制在1mm-2mm之间。扫描速度控制在200mm/min-400mm/min之间，扫描速度过慢则会大大降低修复效率，扫描速度过快则导致修复区域枝晶容易偏转和形成杂晶，影响修复区域性能。根据光斑直径和缺陷深度选择合适的送料量，一般光斑直径和缺陷深度越大，送料量也越大，一般为5g/min-12g/min，送料量过小，修复效率大大降低，送料量过大，则导致修复区域原材料无法完全熔化，进而导致修复区域杂晶数量增加。对于裂纹等小范围缺陷，一般采用单道熔覆修复。对于磨损等大范围缺陷，则采用多道搭接的方式进行修复，搭接率需严格控制在40%-50%之间，搭接率过小，相邻两道无法完全搭接，搭接率过大可能造成表面起伏，搭接区域也容易产生杂晶。修复所用原材料一般为同代的单晶粉末或丝材，如果无法获取，也可采用其他高温合金粉末进行修复。
3.修复后处理
涡轮叶片修复过程中会产生大量热应力，这些热应力会导致叶片变形，也可能导致修复区域开裂，因此在修复完成之后，必须立刻进行去应力处理。将修复后的叶片立即放入500℃-600℃的热处理炉中保温5-8小时，去除热应力，温度过低无法达到本发明去应力的效果，温度过高则会使高温合金的显微组织发生长大，劣化性能，为保证应力完全消除，保温时间至少超过5小时。
去应力处理后，利用超声波、X射线、荧光等无损手段对修复区域进行探伤，若探伤结果显示无裂纹、孔洞等缺陷后即可按照构件实际服役要求对修复后构件表面进行机加工处理以满足实际需求。
实施例1：
服役后的二代单晶高压涡轮叶片侧壁上存在较浅的裂纹缺陷，对缺陷区域打磨后，采用以下工艺参数进行修复，激光功率600W，扫描速度300mm/min，送粉量8.5g/min，光斑直径2mm，也即单位面积能量输入E为60 J·mm-2，修复用粉末为直径55-72μm的球形DD5粉末，在修复后立刻进行600℃×5h的去应力处理。
图2为修复区域的显微组织图，修复区域无孔洞、裂纹等缺陷，底部为外延生长的单晶，顶部存在杂晶，在修复后机加工去除顶部的杂晶区域即可。
综上所述，本发明为单晶高温合金叶片侧壁修复提供了一种切实可行的方法，可延长叶片使用使用寿命，减少发动机制造、维护成本。
实施例2：
服役后的二代单晶高压涡轮叶片侧壁上存在较浅的磨损缺陷，对缺陷区域打磨后，采用以下工艺参数进行修复，激光功率600W，扫描速度300mm/min，送粉量8.5g/min，光斑直径2mm，搭接率50%，修复用粉末为直径55-72μm的球形DD5粉末，在修复后立刻进行600℃×5h的去应力处理。
图3为修复区域的显微组织图，修复区域无孔洞、裂纹等缺陷，底部为外延生长的单晶。
比较例1：
激光功率为400W，扫描速度300mm/min，送粉量8.5g/min，光斑直径2mm，其他和实施例1相同。如图4所示无法完全熔化粉末，产生大量缺陷，且内部杂晶区域极大。
比较例2：
激光功率为800W，扫描速度300mm/min，送粉量8.5g/min，光斑直径2mm，其他和实施例1相同。叶片因热输入过大而变形。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种单晶高温合金涡轮叶片侧壁的修复方法，其特征在于包括以下步骤：
1）根据待修复涡轮叶片的缺陷情况判断是否进行修复，具体判断为，如果缺陷深度为侧壁厚度50%以上，或者缺陷为气膜孔附近的缺陷，则放弃修复；否则准备进行修复；
2）对于缺陷区域面积小于等于5mm2的小范围缺陷，如缺陷深度小于等于侧壁厚度的25%，则对缺陷区域进行打磨处理，如缺陷深度大于侧壁厚度的25%，则沿缺陷开坡口；对于缺陷区域面积大于5mm2的大范围缺陷，无论深浅，都需要将缺陷区域全部打磨；所有处理后，待修复区域的表面粗糙度达到Ra0.8；
3）将待修复涡轮叶片置于转台上，采用环形光斑、光内同轴送料的方式进行激光增材修复，修复过程中转动转台调整待修复涡轮叶片的位置，以保证激光入射线和涡轮叶片表面法线之间的夹角小于15°；其中，将冷却气管路与涡轮叶片榫头处进行对接，利用涡轮叶片自身的气流通路，将低温氩气输送到涡轮叶片的各个位置；
4）将激光增材修复后的涡轮叶片立即放入热处理炉中进行热处理以去除热应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，控制所述激光增材修复的单位面积能量输入E维持在50~60J·mm-2，所述单位面积能量输入E为，
，其中P为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，光斑直径控制在1mm-2mm之间。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，扫描速度控制在200mm/min-400mm/min之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述坡口角度选择60°-75°。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于小范围缺陷，采用单道熔覆修复；对于大范围缺陷，采用多道搭接的方式进行修复，搭接率控制在40%-50%之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光内同轴送料的速度为5g/min-12g/min，送料为粉末或丝材。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热处理为放入500℃-600℃的热处理炉中保温5-8小时。
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