CN117620490A - 钛合金裂纹修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航空发动机修复工艺领域，尤其是一种高效的实现钛合金裂纹修复的钛合金裂纹修复方法，包括如下步骤：a、零件除油。b、确定裂纹位置、深度及长度。c:真空高能电子束焊接:将零件装夹固定在电子束焊接设备的工作台上，然后对腔室抽高真空，真空度大于5.0×10‑2Pa。根据裂纹情况，选择焊接路径及焊接参数，进行高能电子束焊接，熔化裂纹及其周围母材，形成焊缝。d：电子束焊后质量检查。e、补焊恢复尺寸。本发明适用于钛合金裂纹修复工艺，尤其是钛合金深窄裂纹故障快速修复之中。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机修复工艺领域，尤其是一种钛合金裂纹修复方法。
背景技术
钛合金常用于制作航空发动机压气机部件，是一种重要的结构材料。但钛合金结构件在服役过程中，由于承受气动载荷、振动应力及温度载荷等恶劣的工作环境，常出现不同程度的裂纹。当裂纹长度超过故检极限时，这些结构件需要停用甚至报废，进行更换新件处理，大幅增加修理成本和周期。
为了降低航空发动机维护成本和绿色可持续发展需要，工程师们通常采用补焊的方式修复钛合金裂纹，延长钛合金结构件的使用寿命。如中国发明专利《一种钛合金风扇机匣裂纹补焊修理方法》(CN 110977106 A)披露了一种钛合金进气机匣这一典型的压气机部件壳体裂纹的修理方法，其工艺过程包括：首先通过X光检查或荧光探伤等方式确定待补焊区域，通过打磨去除待补焊区域的裂纹，完全排除裂纹后进行氩弧焊补焊，然后打磨焊缝至圆滑过渡，随后进行去应力处理和焊后质量检查。在发明专利《超塑成形制造的航空发动机进气机匣支板裂纹修复方法》(CN 104439618 A)中，采用了脉冲氩弧焊焊接修复支板裂纹，其工艺过程包括：首先对裂纹进行打磨清洗，然后固定待焊接部位，在抽真空后进行脉冲氩弧焊补焊，随后进行焊后质量检查。这些方法的不足是：(1)需要钳工对裂纹进行打磨清理甚至开坡口，耗费时间长且劳动强度大，当裂纹深度很深时打磨及焊接耗时非常长；(2)采用的是氩弧焊等常规焊接方式，热影响区大，零件在补焊后会产生变形超标、组织退化严重等问题。综上，现有的钛合金裂纹修复方法存在焊前处理效率低、焊接热输入大的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高效的实现钛合金裂纹修复的钛合金裂纹修复方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钛合金裂纹修复方法，包括如下步骤：
a、零件除油：所述零件除油方式包括但不限于碳基清洗剂清洗、汽油清洗、丙酮浸泡等，目的是去除零件表面油液，减少对零件和真空腔室的污染。
b、确定裂纹位置、深度及长度：所述确定裂纹位置、深度及长度的方法包括但不限于荧光探伤、X光检查、超声波检测等无损检测手段，亦可通过故障分析的方式进行确定，通过这些方式标记裂纹位置作为电子束焊接路径选择的输入和焊接参数制定依据。本发明仅需要对裂纹进行定位，不需要焊前钳工打磨清理，焊前处理耗时明显降低。
c:真空高能电子束焊接:将零件装夹固定在电子束焊接设备的工作台上，然后对腔室抽高真空，真空度大于5.0×10-2Pa。根据裂纹情况，选择焊接路径及焊接参数，进行高能电子束焊接，熔化裂纹及其周围母材，形成焊缝。步骤c所述的裂纹情况指的是裂纹位置、深度及长度，所选择的焊接路径及焊接参数形成的匙孔应能够包容裂纹。高能电子束焊接过程中，零件剧烈气化膨胀产生的压力将熔融金属抛出形成匙孔，高的温度梯度下熔池剧烈流动将氧化物从熔池内部带出，具有“自清洁”效应，由此形成的焊缝质量高。采用的电子束焊接形成的焊缝深而窄，热输入小，零件变形小。
d：电子束焊后质量检查：步骤d所述的电子束焊接焊后质量检查依据《钛及钛合金电子束焊接工艺及质量检验》(HB/Z 198)或等效标准进行，结合产品要求对裂纹、气孔、焊瘤、飞溅、未焊透、烧穿、未熔合等焊接缺陷进行检查。外观质量检查上，焊缝表面应光洁，并圆滑过渡到母材；焊缝表面的颜色应为银白色，允许有淡黄色。检查方法包括但不限于：目视检查、渗透检测、X射线检测、超声波检测、工业CT检查、力学性能测试。需要注意的是，焊接质量检查应通过X射线检测等无损检测方式判断裂纹是否完全通过电子束焊接修复，无未清除的裂纹段。
e、补焊恢复尺寸：步骤e所述补焊的手段包括但不限于手工氩弧焊、激光熔覆等，其目的是恢复裂纹电子束焊接修复后下凹的尺寸。由于常规电子束焊接没有填料装置，裂纹经焊接修复后尺寸不足，表面会下凹。对于重要的表面，需通过补焊将缺失的材料堆起来，通过手工打磨或机械加工恢复尺寸。补焊的焊接质量检查依据所采用焊接方式的不同，按相关标准执行。如果设备允许进行填料，本步骤可以仅包括焊后打磨。
本发明的有益效果是：一、本方案不需要进行现有的修理方法中的焊前裂纹打磨工序，节省了大部分焊前准备时间，效率高。二、真空高能电子束焊接钛合金时具有“自清洁”效应，焊接质量高。三、电子束焊接的热输入小，工件变形小。本发明适用于钛合金裂纹修复工艺，尤其是钛合金深窄裂纹故障快速修复之中。
具体实施方式
下面详细介绍航空发动机进气机匣支板裂纹电子束焊接修复的实施过程。该进气机匣为焊接机械加工组件，其整流支板由超塑成型扩散焊接而来，在使用过程中加强筋等部位易发生裂纹故障。
步骤1：零件除油
采用碳基清洗剂清洗，尽可能去除机匣内外表面油污等。清洗完成后将进气机匣集气罩安装孔朝下放置，倒出内腔残留清洗剂。将整个进气机匣所有支板没入干净丙酮中浸泡4小时以上，用毛刷清洗机匣整个表面。
步骤2：确定裂纹位置、深度及长度
(1)根据故障分析确定裂纹位置、深度及长度：支板裂纹在第二道加强筋位置，为贯穿性裂纹，裂纹深度和支板厚度相当，不同程度的裂纹故障其长度不同，但都分布在距离内环85mm-200mm范围内。(2)标记裂纹位置：第二道加强筋与支板排气边距离98％尺寸为31.85-31.90mm，剩余2％的尺寸达到31.90-32.10mm。根据31.85mm尺寸先在进气机匣第二道加强筋位置用细记号笔进行标识，再采用超声波检查其加强筋是否位于划线标识下，若不在则将划线擦除，并在支板上检测描5-8点后再重新划线标记位置。
步骤3：真空高能电子束焊接
根据工艺试验确定合适的工艺参数，至少满足裂纹全焊透并且未焊穿。支板裂纹电子束焊接修复的工艺参数见表1。
表1支板裂纹电子束焊接修复工艺参数
| 加速电压/kV | 聚焦电流/mA | 束流/mA | 扫描参数 | 焊接速度mm/min |
| 85kV | 434.5～435 | 4.5～5.2 | 50Hz，O形 | 1000-1200 |
采用上述工艺参数，对支板裂纹进行电子束焊接修复，在支板修复位置取样进行力学性能测试。经检测，修复件的室温拉伸性能不低于TC4支板母材的99％，400℃高温拉伸性能不低于TC4支板母材的94％，温度400℃、应力540MPa下高温持久时间超过250h，室温高周疲劳极限接近TC4母材的70％。焊后质量高，力学性能指标高于一般裂纹焊接修复方法。
步骤4：电子束焊后质量检查
(1)目视检查：焊缝表面应光洁，并圆滑过渡到母材上，不应有裂纹、未熔合、烧伤、缩沟等缺陷。焊缝表面颜色应为银白色或淡黄色，零件表面熏镀的颜色允许存在。(2)采用内窥镜检查内腔焊缝，焊缝成型饱满，无未熔合、裂纹缺陷，焊缝表面允许深黄色。(3)X光检查：检查时不允许有线性显示、未焊透和裂纹。内部允许的气孔和夹渣按II级焊缝处理。
步骤5：补焊恢复尺寸
对电子束焊后的支板电子束焊缝表面进行尺寸修复。(1)采用不织布打磨焊丝，显出金属光泽，用绢布蘸丙酮清洗待焊表面及焊丝。(2)采用手工氩弧焊进行尺寸修复，焊接模式为收弧，电流(30～50)A，TC4焊丝直径Φ1.2mm，焊枪氩气流量(10～16)L/min，电流极性为直流正接，钨极直径Φ2.4mm。(3)焊后检测：焊缝余高留有足够后续修型余量，不允许存在裂纹、未焊透、烧穿、未熔合、咬边、焊瘤、弧坑、表面气孔和夹渣。(4)焊后修型：对焊疤进行打磨和抛光，焊缝与基体圆滑过渡，表面粗糙度应与基体相近。
本方法通过真空环境下高能电子束产生的高温，直接蒸发去除表面低熔点污染物、匙孔效应将氧化物带出熔池，具有自清洁的显著优势，焊接质量高，不需要对裂纹故障进行焊前打磨清理。所述修理方法可以高效修复钛合金裂纹故障，延长钛合金结构件的使用寿命，大大降低修理周期。
Claims (2)
1.钛合金裂纹修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、零件除油：所述零件除油方式包括碳基清洗剂清洗、汽油清洗或者丙酮浸泡中的任意一种，用于去除零件表面油液，减少对零件和真空腔室的污染；
b、确定裂纹位置、深度及长度：确定的方式包括故障分析、荧光探伤、X光检查或者超声波检测中的任意一种，随后标记裂纹位置作为电子束焊接路径选择的输入和焊接参数制定依据；
c、真空高能电子束焊接：将零件装夹并固定在电子束焊接设备的工作台上，然后对腔室抽高真空，真空度大于5.0×10-2Pa，根据裂纹情况，选择焊接路径及焊接参数，随后进行高能电子束焊接，熔化裂纹及其周围母材，形成焊缝；
d、电子束焊后质量检查：对裂纹、气孔、焊瘤、飞溅、未焊透、烧穿、未熔合等焊接缺陷进行检查；外观质量检查上，焊缝表面应光洁，并圆滑过渡到母材；
e、补焊恢复尺寸：包括手工氩弧焊或者激光熔覆中任意一种，用于恢复裂纹电子束焊接修复后下凹的尺寸。
2.如权利要求1所述的钛合金裂纹修复方法，其特征在于：步骤c中，所述的裂纹情况指的是裂纹位置、深度及长度，所选择的焊接路径及焊接参数指的是焊接形成的匙孔能够包容裂纹。
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