CN1749447A - 对单晶金属片或定向固化金属片表面修整的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对厚度小于2mm的单晶质或定向固化金属片的表面修整工艺，对所述片施加激光束和种类与金属片相同的金属粉流，从所述片至少产生一个单晶或定向固化金属层，激光束以功率“P”发出，以速度“v”沿所述片移动，其特征在于激光束和粉末流沿同一轴向施加在所述片上，P/v比值在图3所确定的数值范围内。
Description
发明领域
本发明涉及对单晶金属片或定向固化金属片表面修整的方法，厚度小于2mm。
发明背景
涡轮叶片通常用单晶或定向固化合金制备。由于叶片绕其转动的定子的壁受到局部操作条件和摩擦的作用，结果常常造成其外端部受损。因此，有必要对其端部进行“表面修整”，也就是从叶片的受损顶部重新做出定子壁来。
美国专利6024792介绍了一种对由单晶或定向固化片构成的定子的壁端部表面修整的工艺。对于前者，先将片端预热，然后用CO2激光束垂直照射其表面，并让其受金属粉流的作用，金属粉流从侧面喷嘴喷出，其方向与激光束轴成一角度。激光束使粉末熔化，从基材生长出单晶层或定向固化金属层，基材由叶片原来的壁构成。这样依次形成若干层。调节激光束的功率，使它始终处在一定的热梯度和固化速度范围内，使新形成的层由单晶或定向固化结构有效形成，新的颗粒以与基材晶粒呈外延柱状的形式生长出来。
这种对单晶金属片或定向固化金属片的壁进行表面修整的工艺必须在优化参数下进行，壁上表面修整的部分所具有的机械性质接近基底材料。例如，对于涡轮机的叶片，壁厚是不同的，例如在外拱或内拱与拖尾边缘之间。因此，有必要在处理过程中，使设备的操作与壁厚相适应。
到目前为止，对于金属片壁外延均匀表面修整的工艺，还没有人精确确定加工参数和设备结构随金属片厚度的关系。
本申请人进行了一系列试验，以确定表面修整的最佳条件，结果就有了本发明，其目的是改进对厚度小于2mm的单晶片或定向固化片表面修整的工艺。
发明概述
因此，本发明涉及对厚度小于2mm的单晶片或定向固化片表面修整的方法，对所述片施加激光束和种类与金属片相同的金属粉流，在所述片上至少产生一个单晶或定向固化的金属层，激光束以功率“P”发出，以速度“v”在所述片上移动，其特征在于激光束和粉末流沿同一轴向施加在所述片上，P/v之比为：
-厚度Ws为0.2-0.6mm时，在两条曲线中，一条取值范围是0.12(宜为0.125)到0.58(宜到0.583)W·min·mm-1；另一条取值范围是0.25-0.84(宜到0.833)W·min·mm-1；
-厚度Ws为0.6-0.8mm时，在两条曲线中，一条取值范围是0.58(宜为0.583)到0.83(宜到0.833)W·min·mm-1；另一条取值范围是0.84(宜为0.833)到1.42(宜到1.417)W·min·mm-1；
-厚度Ws为0.8-1.0mm时，在两条曲线中，一条取值范围是0.83(宜为0.833)到1.08(宜为1.083)W·min·mm-1；另一条取值范围是1.42(宜为1.417)到2.05(宜到2.042)W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.0-1.2mm时，在两条曲线中，一条取值范围是1.08(宜为1.083)到1.27(宜到1.271)W·min·mm-1；另一条取值范围是2.05(宜为2.042)到2.34(宜到2.333)W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.2-1.4mm时，在两条曲线中，一条取值范围是1.27(宜为1.271)到1.33(宜到1.333)W·min·mm-1；另一条取值范围是2.34(宜为2.333)到2.48(宜到2.479)W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.4-2.0mm时，在两条曲线中，恒定不变的一段等于1.33(宜为1.333)W·min·mm-1；另一条取值范围是2.48(宜为2.479)到2.75W·min·mm-1。
申请人由此发现，有可能确定P/v比例的范围，以保证表面修整工艺的操作正确。
曲线的各段宜为各个直线段。
根据一种实施方式，预热所述片在施加粉末流之前进行。
在此情况下，预热宜通过激光束进行。
根据另一种实施方式，粉末流是在不预热片的情况下施加的。
根据一种实施方式，要成功形成若干层金属时，施加在片每一层上的能量都相同。
根据另一种实施方式，要成功形成若干层金属时，施加在片第一层上的能量小于施加在其他各层上的能量。
不管选择哪种实施方式，施加相同能量的层上的P/v值相等。
激光束宜为YAG激光束。
激光束和金属粉末宜通过透射喷嘴施加，所述喷嘴有一个斜截端部，它包含让激光束通过的中央孔和提供粉末的通道，通道在其斜截端部形成壁中延伸。
本发明特别适用于气体涡轮发动机叶片和包含称作AM1的单晶合金的粉末，但申请人无意将其权力范围限制在此用途上。
附图简述
通过下面对本发明方法的优选实施方式的叙述，并结合附图，可更好地理解本发明。
图1是实施本发明方法优选实施方式所用设备中发射喷嘴的截面示意图；
图2是用本发明方法优选实施方式进行重做叶片表面的截面示意图；
图3是实施本发明方法优选实施方式时，激光的功率与移动速度之比相对于叶片壁厚所允许的数值范围曲线；
图4是用本发明方法优选实施方式进行表面修整的叶片的透视图；
图5是图4所示表面修整的叶片在再加工之前的截面照片。
优选实施方式详述
本发明表面修整工艺所用的设备(未示出)主要包含一个外罩、一个激光源、粉末透射喷嘴、向喷嘴供料的粉末供料器，以及聚焦系统与外罩之间的结合波纹管，其中聚焦系统主要包含激光源和喷嘴。
下面介绍的方法是用来对气体涡轮发动机的涡轮叶片进行表面修整，所述叶片由单晶或定向固化的镍合金制成，但应当理解，该工艺适用于任何金属片，只要它包含需要表面修整的壁并由单晶或定向固化合金制成。
单晶是指由单个晶体构成的合金。定向固化是指合金中晶体延伸的方向彼此平行，呈柱形树枝状。
将叶片放置在上述设备的外罩内，对其壁的顶部表面修整。所述外罩由铝做成，呈平行六面体形状，尺寸为130mm×130mm×100mm。内部充氩气，建立惰性气氛，最大含氧量为200ppm，用以保护各部件免遭氧化。外罩内放置一台氧分析仪，以便对外罩中氧的浓度进行实时监测。
氩气经由安置在外罩顶部的六根管子通入。外罩底部有个金属粉末回收通道，在对叶片壁表面修整的过程中它不会熔化。在外罩的前表面设置一个窗口，以便用摄像机跟踪方法程序，并供控温高温计使用。
这里的叶片由镍合金构成，在此称作AM1。此合金具有以下重量组成：6.0-7.0％的Co，7.0-8.0％的Cr，1.8-2.2％的Mo，5.0-6.0％的W，7.5-8.5％的Ta，5.1-5.5％的Al，1.0-4.0％的Ti，Nb、Mn和Si均少于0.05％，C、B、Cu、S、Mg、Sn和Zr均少于0.01％，Hf和Fe均少于0.2％，其余为Ni，总共构成100％。
粉末同样由AM1组成。这是一种球形粉末，颗粒的平均直径在25-250μm之间。一般地，对于由合金AM1制成的叶片的壁的顶部来说，使用平均直径为63μm的颗粒，可得到满意的结果。
现在试看图1，透射喷嘴1位于外罩顶部。它包含斜截端部2，端部2有个中央孔3和一系列抗静电通道4，通道延伸到斜截端部2的形成壁中。向通道供应粉末5，直线激光束6在中央孔内发散。喷嘴是专利DE3935009中所述类型的喷嘴，更多细节可参见该专利文献。
激光束6用称作YAG的激光源产生。对于这种激光器，其激光介质由掺有钕(Nd)的铝钇石榴石(YAG)构成。可激发粒子是钕离子Nd3+。此激光器发射波长为1064nm的激光束。它发射的是连续能量束。激光束用的光导纤维的直径为0.3或0.6mm，随要进行表面修整的叶片壁几何尺寸而异数。例如，直径为0.6mm的纤维用来对厚度在0.5-2mm之间的叶片壁进行表面修整。YAG激光器可让激光束6与材料之间发生充分的相互作用，而且透射头的可操作性更好，因为实际操作的是光导纤维。
喷嘴1连接到一个或多个合金粉末AM1供料器上。粉末5由氩气推动，以确保它受到保护。粉末装在一个或多个储存器中，它在其中被不断搅动，以保持均匀。供料器中气体流量为1-21/min，粉末流量为6-8g/min。在透射喷嘴1的出口处，气体流量为5-71/min。
在喷嘴1的出口处，粉末流5是对称而稳定的，以便在表面修整时消除不规则性；激光束6在传播方向上与粉末流5同轴。粉末5透射到激光束6的轴上使透射喷嘴1具有更大的可操作性，而且表面修整时的速度和熔化现象更加规则。
主要由激光源和喷嘴1组成的聚焦系统通过波纹管与外罩相连，里面由覆盖着铝的玻璃纤维制成，用来支持激光束6的反射，而外面是硅涂层，以免因整体移动而发生变化。聚集系统由允许它沿三个垂直方向运动的设备启动，并由程控设备驱动。
下面结合图2-5更详细地介绍本发明方法。
叶片7放置在设备的外罩内。喷嘴1放置在要进行表面修整的叶片壁上方，激光束6和粉末流5透射在壁上。激光束以功率“P”发射，并以速度“v”在壁上运动。粉末流5透射到激光束6的轴中。
本申请人发现，为了正确地进行表面修整，必须适当选择P/v比与壁厚“Ws”的关系，可改变这两个参数中的一个或另一个，但宜两个都改变。本申请人还发现，可以确定此比例的允许数值范围。参数P与v之比的最佳数值范围与壁厚Ws的关系可根据图3所示曲线确定。
根据两条曲线的各段作第一次近似，可以看到P/v比例必须是：
-厚度Ws为0.2-0.6mm时，在两条曲线中，一条取值范围是0.12(宜为0.125)到0.58(宜到0.583)W·min·mm-1；另一条取值范围是0.25-0.84(宜到0.833)W·min·mm-1；
-厚度Ws为0.6-0.8mm时，在两条曲线中，一条取值范围是0.58(宜为0.583)到0.83(宜到0.833)W·min·mm-1；另一条取值范围是0.84(宜为0.833)到1.42(宜到1.417)W·min·mm-1；
-厚度Ws为0.8-1.0mm时，在两条曲线中，一条取值范围是0.83(宜为0.833)到1.08(宜为1.083)W·min·mm-1；另一条取值范围是1.42(宜为1.417)到2.05(宜到2.042)W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.0-1.2mm时，在两条曲线中，一条取值范围是1.08(宜为1.083)到1.27(宜到1.271)W·min·mm-1；另一条取值范围是2.05(宜为2.042)到2.34(宜到2.333)W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.2-1.4mm时，在两条曲线中，一条取值范围是1.27(宜为1.271)到1.33(宜到1.333)W·min·mm-1；另一条取值范围是2.34(宜为2.333)到2.48(宜到2.479)W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.4-2.0mm时，在两条曲线中，恒定不变的一段等于1.33(宜为1.333)W·min·mm-1；另一条取值范围是2.48(宜为2.479)到2.75W·min·mm-1。
在此第一次近似中，本申请人发现确定数值范围的两条曲线由各个增长的曲线段构成。增长曲线具有正切性质，可以认为是“光滑的”，也就是说，曲线从一个部分到另一个部分的变化相当规则，例如在凹度上没有急剧变化。由所提供的数据描述曲线的方法是，从第一个点到第二个点时，根据下一个点预测第二个点，这样就不必修正凹度上的任何不合逻辑的变化。
另一种近似是将各直线段当作上面所确定的曲线各段。
因此，在遵循图3所确定的范围，根据壁厚Ws控制P/v比例。这种自动控制可用程序进行控制。叶片7的壁厚Ws的变化事先确定，回馈给程序。在工艺实施过程中，此程序控制P/v比例随喷嘴1沿壁运动的位置，因而随壁厚Ws的变化，而此变化关系是由使用者就一些参数确定的，这些参数例如是光纤的直径、表面修整区域的几何形状、要产生的层的厚度……而保持在图3所确定的数值范围内。
另一种可能性是放入一个自动调节言，它能实时控制P/v比例随某个数据的变化，所述数据可以是测量得到的熔流发光度，所述发光度间接依赖于任意给定部位的壁厚Ws。这种发光度测量可用连接到控制系统上的光二极管进行。
在将P/v比保持在确定范围内的情况下，激光束6作用在透射到壁上的粉末5上，引起粉末熔化和合金的生长。合金以外延柱形方式从包含在基材中的树枝状晶体的主臂处开始生长，基材就是叶片7的顶部，其结果是单晶或定向固化金属的固化，具体取决于基材的种类。
从图2很容易看出第一个金属层8的结构。调节各参数，使基材熔化至高度h。，从而让来自树枝状晶体主臂的新层固化。透射粉末5，得到高度为HD的层8。这样形成的层8具有液滴外形，其底部角度α必须在30°-70°之间，这样就最大程度减少了工艺过程完成之后为获得笔直的壁的任何加工，亦称再加工。液滴状结构的最大宽度WD必须为叶片7的宽度Ws的110-150％，以限制再加工。
高度hmono表示从未熔化基材算起的高度，基材上的液滴显示的是单晶固化或定向固化结构。在此高度以上的冠部9(HD-hmono)不容易固化，而且在形成第二层时必定熔化，这样第二层可从第一层8的柱形树枝状晶体的主臂形成，以后每一层都是这样。
由于使用了本发明工艺并适当选择了P/v比例，受热影响区，即图2用箭头标出的ZAT可达到最小。
为了对叶片7进行表面修整，必须形成若干层。对于相继的各层，可根据不同实施方式进行该工艺过程，下面介绍其中的两种实施方式。
在第一种实施方式中，施加在第一层8上的能量与施加在后面各层上的能量相同，所述能量取决于喷嘴1沿叶片7的壁移动时，此壁的厚度Ws。这种实施方式最简单，因为只需要使用单一功率控制程序。
在第二种实施方式中，施加在第一层8上的能量最小，以便使基材熔化最少，而后面各层的能量相同，等于用于第一层8的能量再增加10-20％。对于所有各层来说，除了第一层8外，在叶片7的壁上，P/v比具有相同数值。
在形成各层的间隙，叶片7宜冷却到600℃以下。
此外，在形成第一层8之前，可以预热基材，像原有技术常做的那样。在此情况下，预热可用激光束6本身完成，激光束可以在叶片7的壁上方先运动几个来回，但不透射粉末。通过控制激光聚焦，可保证加热均匀。激光束来回运动的次数和施加的能量要保证最小程度的预热，足以限制壁的开裂。显而易见，可通过测定温度来自动控制系统，当达到预定温度时，终止预热阶条。
只要参数选择得当，尤其是参数P和v，本发明工艺可以用来对叶片7的壁进行表面修整，而不需预热，从而可以大大节省时间，工艺也大为简化。
各层形成完毕后，较好进行后热处理，以使结构均匀，并消除残余应力。这种热处理宜在800-1300℃之间进行。
举例来说，当壁厚Ws等于1mm时，第一层8可选择功率P＝400W，速度v＝250mm/min；其他层，例如其他9层可选择功率P＝500W，速度v＝300mm/min。可以看出，P/v比很好地保持在图3所示壁厚Ws＝1mm时的数值范围内。
当壁厚Ws等于0.5mm时，第一层8可选择功率P＝125W，速度v＝250mm/min；其他各层选择功率P＝150W，速度v＝250mm/min。
在此相同厚度下，第一层8可选择功率P＝150W，速度v＝250mm/min；其他各层选择功率P＝175W，速度v＝250mm/min。
图4所示为本发明工艺过程完成，且进行后热处理及再加工之后的叶片7。可以看到表面修整后的结果，叶片7的壁经修整的表面包括内弧面11、外弧面12和后缘13。不同部位的壁厚Ws是不同的，在不同壁厚的部位，本发明工艺控制着P/v比，以保证表面修整的质量。
图5所示为在叶片7之壁上进行了修整的表面14，尚未进行再加工。很明显，除了冠部15外，此表面修整的结构内部是柱形树枝状晶体。从此图可以清楚看到，在确定操作参数时必须考虑到两个目标：要得到可接受的单晶或定向固化显微结构，但也要得到良好的液滴状几何外形(例如，如果工艺过程太慢，该液滴会下陷，无法形成正确几何形状)。
因此，本发明可以利用充分优化的工艺。专门人员可根据受到的约束条件，选择采用预热或不采用预热。如果约束不大，就不预热，可在实践中节省大量时间，并大大简化工艺过程。但预热在实践中可得到更精确且准确的结果。
所确定的参数范围可确保专门人员进行表面修整，表面的固化由基材主臂的树枝状晶体以柱形和外延的方式进行，能得到单晶或定向固化的经修整的表面，其几何形状可以进行再加工。
在本发明工艺范围内，受热影响区的区域小于原有技术。
采用与喷嘴共轴的YAG激光可保证激光和材料更好地相互作用，投射头具有更好的可操作性，光纤更容易使用。
本发明是就单晶合金AM1介绍的，但它适用于其他类型的金属。
Claims (12)
1.一种对厚度(Ws)小于2mm的单晶质或定向固化金属片(7)进行表面修整的加工工序，对所述片施加激光束(6)和种类与金属片相同的金属粉流(5)，从该金属片(7)至少产生一个金属层，它是单晶层或定向固化层，激光束(6)以功率“P”发出，以速度“v”在该金属片(7)上移动，其特征在于激光束(6)和粉末流(5)沿同一轴向施加在该金属片(7)上，P/v比值是：
-厚度Ws为0.2-0.6mm时，在两条曲线中，一条取值范围是从0.12、优选从0.125，到0.58，优选值0.583W·min·mm-1；另一条取值范围是从0.25到0.84，优选值0.833W·min·mm-1；
-厚度Ws为0.6-0.8mm时，在两条曲线中，一条取值范围是从0.58、优选从0.583，到0.83，优选值0.833W·min·mm-1；另一条取值范围是从0.84、优选从0.833，到1.42优选值1.417W·min·mm-1；
-厚度Ws为0.8-1.0mm时，在两条曲线中，一条取值范围是从0.83、优选从0.833，到1.08优选值1.083W·min·mm-1；另一条取值范围是从1.42、优选从1.417到2.05优选值2.042W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.0-1.2mm时，在两条曲线中，一条取值范围是从1.08，优选从1.083，到1.27，优选值1.271W·min·mm-1；另一条取值范围是从2.05、优选从2.042，到2.34，优选值2.333W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.2-1.4mm时，在两条曲线中，一条取值范围是从1.27、优选从1.271到1.33，优选值1.333W·min·mm-1；另一条取值范围是从2.34、优选从2.333，到2.48优选值2.479W·min·mm-1；
-厚度Ws为1.4-2.0mm时，在两条曲线中，一段恒等于1.33，优选值1.333W·min·mm-1；另一条取值范围是从2.48、优选从2.479，到2.75W·min·mm-1。
2.如权利要求1所述的工序，其特征在于曲线的各个分部为直线段。
3.如权利要求1或2所述的工序，其特征在于预热该金属片(7)在施加粉末流(5)之前进行。
4.如权利要求3所述的工序，其特征在于该预热使用激光束(6)进行。
5.权利要求1或2所述的工序，其特征在于使用粉末流(5)时，不对金属片预热。
6.权利要求1-5中任一项所述的工序，其特征在于当相继形成若干层金属时，施加于金属片各层的能量都相同。
7.权利要求1-5任一项所述的工序，其特征在于当相继形成若干层金属时，施于金属片第一层的能量小于用于其他各层的能量。
8.权利要求6或7所述的工序，其特征在于受到相同能量的各层的P/v值相等。
9.权利要求1-8任一项所述的工序，其特征在于片(7)和粉末(5)包含一种单晶合金，称作AM1。
10.权利要求1-9任一项所述的工序，其特征在于激光束(6)为钇铝石榴石(YAG)激光束。
11.权利要求1-10任一项所述的工序，其特征在于使用-喷嘴(1)施加激光束(6)和金属粉末(5)，该喷嘴包含一平切端部(2)，其中有让激光束(6)通过的中央孔(3)和提供粉末(5)的通道(4)，通道在喷嘴的平切端部(2)的形成壁内延伸。
12.权利要求1-11任一项所述的工序，其特征在于该片(7)是气体涡轮发动机叶片。
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