CN117066829A - 风扇叶片凸肩耐磨层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机叶片修复工艺领域，尤其是一种提高耐磨层磨损性能，从而使叶片凸肩接触面达到较好的耐磨性的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，包括如下步骤：a、耐磨块准备：耐磨块的材料为耐磨硬质合金材料；b、钎料的材料为与凸肩材料相同体系的材料，钎料的形态为片状、粉末状或者膏状；c、叶片的凸肩的焊前清理：对叶片进行加工，去除表面多余的基材及毛刺；d、钎焊耐磨块：在凸肩上设置钎料，然后放置耐磨块，钎焊前将预制好钎料和耐磨块的叶片放入加热设备工作舱，使用感应钎焊或者加热炉对耐磨块进行钎焊；e、耐磨层精加工：使用磨床或机床对叶片进行焊接精加工，恢复叶片凸肩至设计所需尺寸厚度范围内。

Description

风扇叶片凸肩耐磨层制备方法

技术领域

本发明涉及航空发动机叶片修复工艺领域，尤其是一种风扇叶片凸肩耐磨层制备方法。

背景技术

航空发动机和燃气轮机风扇叶片及压气机叶片通常由钛合金制造而成，在服役过程中，风扇及压气机叶片主要承受气动载荷、离心应力、振动应力及温度载荷。为解决叶片振动问题，发动机叶片通常利用库仑减振和叶身减振，即在叶片叶身设置凸肩(也称为凸台)，凸肩能够增加叶片两端夹持刚性，提高自振频率。在振动中叶片凸肩工作面相互摩擦，吸收振动能量，同时也可以降低颤振问题。

为了保护钛合金叶片凸肩和防止由于叶片振动过快磨损凸肩工作面，需要在凸肩工作面制备硬质合金耐磨层。现有的耐磨层制备方法主要采用是硬质合金颗粒和钎料混合成膏状钎料，然后通过真空感应钎焊的工艺。如中国发明专利《一种低压转子叶片减震凸台钎焊耐磨合金的方法》(CN 110977071 A)披露了一种低压转子叶片减震凸台钎焊耐磨合金的方法，其工艺过程为：首先将碳化钨耐磨颗粒、钎料和粘结剂按一定的比例混合，形成膏状混合物，然后将膏状混合物涂覆于叶片凸肩上，通过感应加热熔化钎料，使耐磨颗粒焊接到凸肩表面。整个工艺过程需要经过焊前清理、粉末混合制备、预制膏状混合物、钎料涂覆、钎焊耐磨合金、去除护带、焊后加工等工序，才能完成风扇叶片凸肩耐磨层的制备。由于混合钎料和耐磨颗粒中需要添加粘结剂，粘结剂在高温下会气化挥发，容易在耐磨涂层内部形成焊接气孔形成焊接缺陷；在钎焊过程中耐磨颗粒密度大，钎焊时耐磨颗粒容易沉积在底部区域，分布不均匀，造成耐磨性能差。具体的讲，该方法的缺点是：a)钎焊耐磨层耐磨性能较差，由于混合膏状物中，耐磨颗粒值占比50％-60％，因此整个接触界面有一半比例为耐磨性能差的钎料，因此该方法制备的耐磨层磨损性能较差。b)该方法制备的耐磨层质量较差，由于混合钎料和耐磨颗粒中需要添加粘结剂，粘结剂在高温下会气化挥发，容易在耐磨涂层内部形成焊接气孔形成焊接缺陷；在钎焊过程中耐磨颗粒密度大，钎焊时耐磨颗粒容易沉积在底部区域，分布不均匀，造成耐磨性能差。c)工艺过程复杂，整个工艺过程需要经过焊前清理、粉末混合制备、预制膏状混合物、钎料涂覆、钎焊耐磨合金、去除护带、焊后加工等工序，才能完成风扇叶片凸肩耐磨层的制备，过程繁琐，且配置的膏状混合物容易氧化，难以长时间保存。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种提高耐磨层磨损性能，从而使叶片凸肩接触面达到较好的耐磨性的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，包括如下步骤：a、耐磨块准备：耐磨块的材料为耐磨硬质合金材料，耐磨块底部的横截面形状与凸肩顶部的横截面相匹配，耐磨块底部通过钎料设置于叶片的凸肩顶部，耐磨块厚度范围为0.5至5mm；b、钎料准备：钎料的材料为与凸肩材料相同体系的材料，钎料的形态为片状、粉末状或者膏状，钎料焊接剪切强度不低于120Mpa；c、叶片的凸肩的焊前清理：对叶片进行加工，去除表面多余的基材及毛刺，对于维修修理的叶片，还要去除原有的耐磨层及钎料，露出基体材料；d、钎焊耐磨块：在凸肩上设置钎料，然后放置耐磨块，钎焊前将预制好钎料和耐磨块的叶片放入加热设备工作舱，使用感应钎焊或者加热炉对耐磨块进行钎焊；e、耐磨层精加工：使用磨床或机床对叶片进行焊接精加工，恢复叶片凸肩至设计所需尺寸厚度范围内。

进一步的是，步骤a中，耐磨硬质合金材料包括钨钴类、钨钛钴类、钨钛钽类、钨钛铌类、钢结硬质合金、通用高速钢、高碳高铬模具钢、低合金模具钢或者碳素钢的任意一种。

进一步的是，步骤a中，耐磨块制造方式依次包括：粉末冶金压制烧结成型、铸造、激光选区熔化、激光选区烧结、激光近净成型以及粉末基础打印，并最终得到耐磨块。

进一步的是，步骤b中，凸肩以及叶片材质为TC4钛合金或者TC6钛合金的任意一种，钎料的材质为Ti基材料。

进一步的是，步骤c中，对叶片的盆向减振凸肩和背向减振凸肩进行加工，并去除表面多余的基材及毛刺。

进一步的是，步骤c中，用丙酮清洗叶片的盆向减振凸肩和背向减振凸肩及其邻近表面，以去除油污及其他杂质。

进一步的是，步骤d中，钎焊采用感应加热对凸肩位置进行局部加热，或使用加热炉对凸肩整体进行加热，加热过程中采用真空或保护气氛。

进一步的是，步骤e中，精加工方法为：在磨床或加工机床上，采用金刚石磨轮并借助夹具磨削叶片的盆向减振凸肩和叶片的背向减振凸肩上钎焊的耐磨合金至设计所需尺寸厚度范围内，磨削完成后对叶片的凸肩进行倒角，并去除毛刺。

本发明的有益效果是：一、耐磨块具有优异的耐磨性能。本发明使用的耐磨块是全部由耐磨材料制成，如图3所示，整个接触面均为耐磨材料，不含有耐磨性能不佳的钎料，因此，本发明中的耐磨块磨损率大大低于现有工艺的耐磨层。二、焊接质量高。本发明通过钎料钎焊，不需要添加粘结剂，钎焊过程中不容易形成焊接气孔，耐磨块不熔化，耐磨材料分布均匀。三、工艺过程简单。由于耐磨块预制成标准的尺寸和形状，叶片耐磨层制备过程仅需磨削凸肩、真空感应钎焊、磨削耐磨层、焊接质量检查等工序，无需混料、点焊护带、钎料涂覆、抛护带等工序，大幅减少了工艺流程，提升了凸肩耐磨块制备效率。

附图说明

图1是本发明的耐磨块金相照片。

图2是传统耐磨涂层金相照片。

图3是叶片以及凸肩的示意图。

图4是耐磨块与凸肩的位置关系示意图。

图中标记为：凸肩1、耐磨块11、叶片2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，包括如下步骤：a、耐磨块11准备：耐磨块11的材料为耐磨硬质合金材料，耐磨块11底部的横截面形状与凸肩1顶部的横截面相匹配，耐磨块11底部通过钎料设置于叶片2的凸肩1顶部，耐磨块11厚度范围为0.5至5mm；b、钎料准备：钎料的材料为与凸肩1材料相同体系的材料，钎料的形态为片状、粉末状或者膏状，钎料焊接剪切强度不低于120Mpa；c、叶片2的凸肩1的焊前清理：对叶片2进行加工，去除表面多余的基材及毛刺，对于维修修理的叶片2，还要去除原有的耐磨层及钎料，露出基体材料；d、钎焊耐磨块：在凸肩1上设置钎料，然后放置耐磨块11，钎焊前将预制好钎料和耐磨块11的叶片2放入加热设备工作舱，使用感应钎焊或者加热炉对耐磨块11进行钎焊；e、耐磨层精加工：使用磨床或机床对叶片进行焊接精加工，恢复叶片凸肩1至设计所需尺寸厚度范围内。

耐磨块的制作材料包括但不限于钨钴类、钨钛钴类、钨钛钽(铌)类、钢结硬质合金、通用高速钢、高碳高铬模具钢、低合金模具钢、碳素钢等耐磨硬质合金材料。耐磨块的外形为上下平面平行或上下平面夹角小于15°的类平行片状材料，其轮廓形状为凸肩加工后截面的轮廓形状，允许其轮廓尺寸比凸肩轮廓尺寸小0-2mm，见示意图4所示，其厚度通常为0.5-5mm。耐磨块制造可以采用粉末冶金法压制成型，然后经过烧结制作。钎料要求：钎料为连接耐磨块和叶片基体所需的钎料，其成分选择主要根据叶片基体材料选用，通常为与基体材料相同体系的材料。钎料的材质为Ti基材料，例如TiCuZrNi，如TC4钛合金叶片可选用以TiCuZrNi为主要成分的钎料。钎料其剪切强度为主要性能指标，焊接剪切强度不低于120MPa。叶片凸肩焊前清理中，使用安装有加工头的机械加工设备对叶片的盆向减振凸肩、背向减振凸肩进行加工，去除表面多余的基材及毛刺；对于修理的叶片，还需要去除原有的耐磨层及钎料，露出基体材料。加工头可以使用硬质合金砂轮、磨轮或其他具有切削作用的刀具；机械加工设备可以使用磨床、机床或者加工中心等加工设备。加工打磨后的叶片用丙酮清洗叶片的盆向减振凸肩、背向减振凸肩及其邻近表面，以去除油污及其他杂质。在钎焊耐磨块步骤，在叶片凸肩上放置一层钎料，然后放置耐磨块，钎焊前将预制好钎料和耐磨块的转子叶片放入加热设备工作舱，使用感应钎焊或者加热炉对叶片耐磨块进行钎焊。采用感应加热对叶片凸肩位置进行局部加热，或使用加热炉对整体进行加热，加热过程中需要采用真空(真空度小于80Pa)或保护气氛，防止叶片在高温时发生氧化。钎焊过程中需要对焊接温度进行控制，防止温度过高对叶片组织发生改变。例如对于TC4钛合金叶片，钎焊温度通常不超过970℃，温度超过970℃会导致TC4合金α相长大，降低叶片性能。在耐磨层精加工步骤：使用磨床或机床对叶片进行焊接精加工，其目的为恢复叶片凸肩至设计图纸规定的尺寸内。在磨床或加工机床上，采用金刚石磨轮并借助夹具磨削叶片盆向减振凸肩、背向减振凸肩上钎焊的耐磨合金至设计图要求的厚度尺寸。磨削完成后对叶片凸肩进行倒角，去除毛刺等。

实施例

对航空发动机风扇一级转子叶片凸肩耐磨块钎焊实施过程。风扇一级转子叶片是经锻造和机械加工制成，叶身上带有盆向减震凸肩和背向减震凸肩，叶片基体材料为TC4钛合金。

步骤1：使用Co含量为6％的WC-Co(碳化钨钴)硬质合金制造耐磨块，耐磨块外形为上下平面平行片状材料，其轮廓形状为凸肩加工后截面的轮廓形状，其轮廓尺寸比凸肩轮廓尺寸小0.1mm，如示意图1所示，其厚度为通常为3mm。

步骤2：由于叶片为TC4钛合金，选用以TiCuZrNi为主要成分的钎料。钎料成分实测值见表1。将钎料制作成片状，其轮廓尺寸与凸肩相同，钎料片的厚度为0.3mm。

表1钎料化学成分

合金元素	Ti	Cu	Zr	Ni
					含量(％)	53.7	22.3	13.2	10.8

步骤3：叶片凸肩焊前清理：使用安装有硬质合金砂轮的磨床设备对叶片的盆向减振凸肩、背向减振凸肩进行加工，去除表面多余的基材及毛刺，加工打磨后的叶片用丙酮清洗叶片的盆向减振凸肩、背向减振凸肩及其邻近表面，以去除油污及其他杂质。

步骤4：钎焊耐磨块。在叶片凸肩上放置钎料片，然后放置一块耐磨块，采用气体保护感应钎焊设备钎焊耐磨块，再将叶片整齐放置于真空室内，放置过程应始终保持钎料朝上并且轻拿轻放。抽真空至压力小于9.8×10^-1Pa，然后向真空室内填充氩气，氩气速率为5-7L/min，直到真空表指针指向零刻度，使舱内压力与大气压力保持一致。调节控制箱电流：一级转子叶片焊接电流设定为(45～60)A。焊接时双手通过胶皮手套伸入真空室内，手持叶片使叶片凸肩位于感应线圈中间并保持凸肩与感应线圈在同一高度后接通焊接电源，目视观察钎料完全熔化后断开电源，焊接时通过温度传感器检测焊接，温度不得超过970℃。所有一级叶片钎焊完后，至少在真空室中冷却15min后再打开真空室取出零件。取出的叶片应放置于专用零件盒内。

步骤5：耐磨层精加工。使用磨床对叶片进行焊接精加工，在磨床上，采用金刚石磨轮并借助夹具磨削叶片盆向减振凸肩、背向减振凸肩上钎焊的耐磨合金至设计图要求的厚度尺寸。磨削完成后对叶片凸肩进行倒角，去除毛刺等。

质量检验的结果是：钎焊后焊缝成型均匀，表面呈光亮金属色泽，无氧化色；非钎焊部位无电弧击伤或钎料熔滴。

通过上述实施例可以得出，本方案可以提高耐磨层磨损性能，从而使叶片凸肩接触面达到较好的耐磨性，技术优势明显，市场推广前景广阔。

Claims (8)

1.风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、耐磨块(11)准备：耐磨块(11)的材料为耐磨硬质合金材料，耐磨块(11)底部的横截面形状与凸肩(1)顶部的横截面相匹配，耐磨块(11)底部通过钎料设置于叶片(2)的凸肩(1)顶部，耐磨块(11)厚度范围为0.5至5mm；

b、钎料准备：钎料的材料为与凸肩(1)材料相同体系的材料，钎料的形态为片状、粉末状或者膏状，钎料焊接剪切强度不低于120Mpa；

c、叶片(2)的凸肩(1)的焊前清理：对叶片(2)进行加工，去除表面多余的基材及毛刺，对于维修修理的叶片(2)，还要去除原有的耐磨层及钎料，露出基体材料；

d、钎焊耐磨块：在凸肩(1)上设置钎料，然后放置耐磨块(11)，钎焊前将预制好钎料和耐磨块(11)的叶片(2)放入加热设备工作舱，使用感应钎焊或者加热炉对耐磨块(11)进行钎焊；

e、耐磨层精加工：使用磨床或机床对叶片进行焊接精加工，恢复叶片凸肩(1)至设计所需尺寸厚度范围内。

2.如权利要求1所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤a中，耐磨硬质合金材料包括钨钴类、钨钛钴类、钨钛钽类、钨钛铌类、钢结硬质合金、通用高速钢、高碳高铬模具钢、低合金模具钢或者碳素钢的任意一种。

3.如权利要求1所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤a中，耐磨块(2)制造方式依次包括：粉末冶金压制烧结成型、铸造、激光选区熔化、激光选区烧结、激光近净成型以及粉末基础打印，并最终得到耐磨块(2)。

4.如权利要求1至3任意一项所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤b中，凸肩(1)以及叶片材质为TC4钛合金或者TC6钛合金的任意一种，钎料的材质为Ti基材料。

5.如权利要求1至3任意一项所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤c中，对叶片(2)的盆向减振凸肩和背向减振凸肩进行加工，并去除表面多余的基材及毛刺。

6.如权利要求5所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤c中，用丙酮清洗叶片(2)的盆向减振凸肩和背向减振凸肩及其邻近表面，以去除油污及其他杂质。

7.如权利要求1至3任意一项所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤d中，钎焊采用感应加热对凸肩(1)位置进行局部加热，或使用加热炉对凸肩(1)整体进行加热，加热过程中采用真空或保护气氛。

8.如权利要求1至3任意一项所述的风扇叶片凸肩耐磨层制备方法，其特征在于：步骤e中，精加工方法为：在磨床或加工机床上，采用金刚石磨轮并借助夹具磨削叶片(2)的盆向减振凸肩和叶片(2)的背向减振凸肩上钎焊的耐磨合金至设计所需尺寸厚度范围内，磨削完成后对叶片(2)的凸肩(1)进行倒角，并去除毛刺。