CN114515837B - 一种单晶涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用选区激光熔化技术修复单晶高温合金高压涡轮叶片叶尖的方法，能够实现涡轮叶片叶尖的高质量修复：本发明提出了涡轮叶片叶尖修复专用的限位装置及激光光斑定位方法，能够实现激光光斑高精度定位，提高修复精度和修复区域表面质量；本发明还提出了涡轮叶片叶尖修复的工艺参数控制方法，通过特殊的扫描方式和恰当的工艺参数，能够极大程度上减少修复区域的杂晶数量，提高修复区域的性能。可见，本发明为单晶高温合金叶片叶尖修复提供了一种切实可行的方法，可延长叶片使用寿命，减少发动机制造、维护成本。

Description

一种单晶涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法
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叶尖的激光选区熔化修复方法。
背景技术
航空发动机高压涡轮叶片承受载荷高，服役环境复杂且十分恶劣，高推重比航空发动机的高压涡轮叶片往往采用单晶高温合金进行制造。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
目前，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具有热源尺寸较小、热影响区域和形变较小、能量密度高、导入工件集中等优势。目前的激光增材修复主要采用的是激光熔化沉积的方式，即利用高能激光在激光头出光瞬间将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。但是，采用这种方式，仍然有一定的变形风险。
激光选区熔化修复技术则是通过提前铺设粉末层，通过计算机中的软件控制激光对金属粉末层的选定区域进行扫描和熔化，从而获得所需形状零件的新型快速成形修复技术。相比于传统的激光熔化沉积修复技术，该技术有光斑更小，热影响更小，几乎不会造成变形。但激光选区熔化修复技术存在激光光斑定位困难，修复区域杂晶数量多等问题。
发明内容
本发明的目的，即在于利用选区激光熔化技术修复单晶高温合金高压涡轮叶片叶尖的方法，能够实现涡轮叶片叶尖的高质量修复。
本发明的技术方案具体为，一种单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于包括以下步骤：
1）判断是否进行修复
根据待修复涡轮叶片叶尖的缺陷情况判断是否进行修复，具体判断为，如果杂晶和雀斑的尺寸大于5mm，或者，裂纹深度大于10mm，或者磨损区域大于20mm2，则放弃修复；否则准备进行修复；
2）修复前处理
对于服役后受损叶片需打磨除去缺陷位置的热障涂层；
对于杂晶、雀斑以及纵向裂纹，先沿缺陷开坡口；对于斜向或横向裂纹以及磨损，先将整个受损区域切除；
3）激光修复
通过限位装置将待修复叶片进行定位固定，所述限位装置包括基板、销键和夹具，基板固定在选区激光熔化设备内部成型腔中，通过销键将叶片与基板进行固定和连接，通过夹具防止叶片晃动；根据限位装置的位置和叶片的三维几何模型，精准确定修复区域位置；
在待修复区域铺粉后进行激光扫描；
4）修复后处理
将激光修复完成之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，所述基板和夹具为铜质。
进一步优选的，所述铺粉的粉末为与叶片同代的单晶高温合金粉末，粉末粒径在9-20μm之间。
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，所述坡口角度选择45°-60°。
进一步优选的，控制激光扫描时单位面积能量输入E维持在2~2.5J·mm-2，所述单位面积能量输入E为，
Figure 998928DEST_PATH_IMAGE002
，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，激光功率控制在200-500W，光斑直径控制在0.1-0.3mm，扫描速度控制在800mm/s-1500mm/s。
进一步优选的，铺粉厚度为30-55μm。
进一步优选的，扫描路径为首尾相接的平行线扫描，搭接率控制在45%-50%之间。
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，本发明提出了一种利用选区激光熔化技术修复单晶高温合金高压涡轮叶片叶尖的方法，能够实现涡轮叶片叶尖的高质量修复：本发明提出了涡轮叶片叶尖修复专用的限位装置及激光光斑定位方法，能够实现激光光斑高精度定位，提高修复精度和修复区域表面质量；本发明还提出了涡轮叶片叶尖修复的工艺参数控制方法，通过特殊的扫描方式和恰当的工艺参数，能够极大程度上减少修复区域的杂晶数量，提高修复区域的性能。可见，本发明为单晶高温合金叶片叶尖修复提供了一种切实可行的方法，可延长叶片使用寿命，减少发动机制造、维护成本。
附图说明
图1为本发明限位装置的示意图。
图2为本发明激光扫描路径示意图。
图3为本发明实施例的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几个步骤：
（1）判断是否进行修复
首先需根据涡轮叶片的缺陷类型和大小判断是否能够进行修复，本发明仅针对涡轮叶片叶尖的修复，对于侧壁缺陷、内部缺陷无法修复。叶尖的缺陷组主要有杂晶、雀斑、裂纹、磨损等几种。对于杂晶和雀斑，尺寸大于5mm的，本发明无法修复；对于裂纹，裂纹深度超过10mm的，本发明无法修复；对于磨损，磨损区域大于20mm2的，本发明无法修复。
（2）修复前处理
服役后受损叶片需打磨除去缺陷位置的热障涂层。对于杂晶、雀斑以及纵向裂纹，需先沿缺陷开坡口，坡口角度选择45°-60°，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。对于斜向和横向裂纹以及磨损，则需将整个受损区域先去除。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，首先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。
（3）激光修复
选区激光熔化修复目前主要面临激光光斑难定位的问题，这会导致修复质量大大降低。本发明采用了特殊的限位装置，不仅能够解决激光光斑定位问题，同时能够一定程度上对叶片进行散热，防止叶片出现热裂纹，提高修复时熔池的温度梯度，减少修复区域杂晶数量。如图1所示为本发明激光修复的限位装置，限位装置具体包括基板4，固定连接于基板上的夹具2，销键3，其中基板4固定在选区激光熔化设备内部成型腔中，基板4开设有销孔，待修复叶片本身也具有与涡轮连接用销孔，因此可以利用销键3分别插入基板4和待修复叶片1的销孔中将基板4和待修复叶片1进行固定和连接，通过夹具2协助夹持待修复叶片1以防止晃动，如此，根据限位装置的位置和待修复叶片的三维几何模型，可精准确定修复区域位置。基板4和夹具2均采用铜制，可在激光扫描修复过程中对待修复叶片1进行散热。
激光修复粉末一般采用和叶片同代的单晶高温合金粉末优选为同牌号，粒径在9-20μm之间，粉末粒径太小则易粘结，粒径太大则流动性差，不容易铺粉。由于叶片叶尖修复区域小，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：
Figure 57014DEST_PATH_IMAGE004
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。经多次试验总结，单位面积能量输入需维持在2~2.5J·mm-2。选区激光熔化激光设备光斑一般为0.1-0.3mm，一般不可调节光斑大小，因此，主要靠调控激光功率和扫描速度。扫描速度一般在800mm/s-1500mm/s之间，激光功率一般为200-500W。铺粉层厚一般在30-55μm之间，层厚太小，则沉积效率太低，层厚太大，则在熔化后顶部易产生杂晶，影响性能。区别于传统的扫描方式，沉积时每层的扫描方式相图，每一层的扫描方式如图2所示，扫描路径为首尾相接的平行线扫描，能够最大程度上减少杂晶的产生。如果每层的扫描轨迹不重合，不重合部分容易产生大量杂晶，影响性能。搭接率对单晶的生长也有重要影响，搭接率必须严格控制在45%-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。
（4）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。
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
服役后的二代单晶高压涡轮叶片叶尖上存在大面积磨损缺陷，将缺陷区域切除并打磨后，采用以下工艺参数进行修复，激光功率300W，扫描速度960mm/s，粉层厚度45μm，光斑直径0.15mm，修复用粉末为直径10-20μm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照片，修复区域无孔洞、裂纹等缺陷，无杂晶。
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 (9)

1.一种单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于包括以下步骤：
1）判断是否进行修复：
根据待修复涡轮叶片叶尖的缺陷情况判断是否进行修复，具体判断为，如果杂晶和雀斑的尺寸大于5mm，或者，裂纹深度大于10mm，或者磨损区域大于20mm2，则放弃修复；否则准备进行修复；
2）修复前处理：
对于服役后受损叶片需打磨除去缺陷位置的热障涂层；
对于杂晶、雀斑以及纵向裂纹，先沿缺陷开坡口；对于斜向或横向裂纹以及磨损，先将整个受损区域切除；
3）激光修复：
通过限位装置将待修复叶片进行定位固定，所述限位装置包括基板、销键和夹具，基板固定在选区激光熔化设备内部成型腔中，通过销键将叶片与基板进行固定和连接，通过夹具防止叶片晃动；根据限位装置的位置和叶片的三维几何模型，精准确定修复区域位置；
在待修复区域铺粉后进行激光扫描；控制激光扫描时单位面积能量输入E维持在2~2.5J·mm-2，所述单位面积能量输入E为，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中P为激光功率，v为扫描速度，l为光斑直径；
4）修复后处理：
将激光修复完成之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所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，所述基板和夹具为铜质。
3.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，所述铺粉的粉末为与叶片同代的单晶高温合金粉末，粉末粒径在9-20μm之间。
4.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，步骤2）处理后，待修复区域的表面粗糙度达到Ra0.8。
5.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，所述坡口角度选择45°-60°。
6.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，激光功率控制在200-500W，光斑直径控制在0.1-0.3mm，扫描速度控制在800mm/s-1500mm/s。
7.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，铺粉厚度为30-55μm。
8.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，其特征在于，扫描路径为首尾相接的平行线扫描，搭接率控制在45%-50%之间。
9.根据权利要求1所述的单晶高温合金涡轮叶片叶尖的激光选区熔化修复方法，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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