CN1824453A - 用于金属材料机械特性的方法 - Google Patents

Abstract

本方法用于相对于构成预修补的部件的材料的金属材料的机械特性和验证用于通过与所述金属材料堆焊来修补所述部分的装置。根据本方法，在所述金属的棒内机加工腔穴，通过所述装置堆焊(54)所述腔穴，从所述棒切下测试片(56)，这样它具有仅由堆焊金属构成的中心区域，对所述测试片进行轴向振动疲劳测试。

Description

用于金属材料机械特性的方法

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，尤其涉及航空涡轮机，目的在于修补例如移动叶片轮盘部件。

背景技术

为了满足发动机日益增加的性能要求，单片叶片轮盘(Bladed discs)或转轮，称之为“叶盘(blisks)”，现在用钛合金制造用于喷气涡轮发动机的压缩器。在传统的转子中，叶片在其根部固定，被装配入轮盘边缘上的支座内。因此，在装配入叶片转子之前将轮盘和叶片分别制造。在叶盘中，叶片和轮盘直接从铸造的坯件加工而成，它们构成单个的部件。这种技术可使发动机总重大幅度减小了，但也使制造成本大幅度减少。

但是，这种类型转子具有难于修补的缺点。在工作中，由于通过发动机吸入外面物体造成的撞击或通过流过发动机的空气中夹带的且与叶片表面接触的尘土或其它微粒引起的腐蚀，压缩机叶片会遭到损坏。如果不能根据制造商文件中说明的标准进行修补，这些磨损或者损坏就要更换一个或几个有缺陷的叶片。在单片叶片元件的情况下，不象传统结构，叶片是厚重组件的主要部分，不能为了修补将它们个别地替换或拆除。需要直接在轮盘上修补缺陷部分。因此该修补必须考虑到该元件的所有方面，尺寸、重量，在大型组件的情况下，需修补区域的可达性。

因此，在叶盘情况时，对于每个叶片而言，修补通常关心的区域是端部、前缘侧的机翼角、后缘侧的机翼角、前缘和后缘。

现有的修补技术在于拆除受损叶片上的受损区域，然后用适合的形状替换拆除的部分，或者用堆焊。这些技术通常使用传统机加工操作，以拆除受损部分、修补部分的不接触检查、超声冲击和使修补区域重新工作的精加工。

本发明涉及通过堆焊来修补。

在使用特定合金的情况下，修补尤其难于实现，焊接这样的合金会导致体积缺陷。尤其是钛合金Ti17。例如，该合金在专利申请EP 1 340 832中提到，该申请涉及一种产品，例如由这种材料制成的叶片。当进行堆焊时，在航空工业中通常且广泛地使用的TIG或微等离子技术仅允许钛Ti17用于被限制至轻压力区的应用。

这些传统堆焊技术导致缺陷的形成。因此，与所涉及到的小厚度相比，TIG堆焊使用了大量的能量，产生损伤并导致形成大量孔，如微孔或微气泡，以及延伸的热影响区(heat-affected zone，HAZ)。这些不易检测的微孔，在机械特性上产生高达80％的削弱。因此，这种堆焊技术仅适用于轻压力区。微等离子堆焊导致较小的HAZ的形成，但它仍然相对很大。此外，该方法需要特别注意，对使用的设备和产品要进行周期性检查，因此没有机器工作参数漂移或修改期望的结果。

专利US 6 568 077描述了一种修复叶盘上叶片的方法，该方法中叶片受损部分先机加工，然后在第一操作模式中，通过钨极电弧焊接机(tungsten-electrodearc-welding，TIG)机金属沉积堵塞不见的部分。在第二种操作模式中，通过电子束焊接机焊接插入物。然后，通过适当的机加工恢复叶片的轮廓。然而，这种方法没有提及当使用特定的钛合金时会遇到的问题。

特别地，激光堆焊是一种能在焊接区域避免出现缺陷的技术。

激光堆焊早已广为人知且广泛使用，例如，需要生成金属轮廓的应用，尤其是从CAD数据生成金属轮廓的应用。壁厚在0.05mm到3mm之间，且层高为0.05mm到1mm之间。该技术使在衬底(substrate)上取得极好的冶金焊接成为可能。

激光束堆焊技术具有如下优点：随着时间热流入是恒定。热量没有时间在体积内聚集并也没有时间扩散——在钛的情况下几乎不放出气体而且强度的减小也很有限。此外，该项技术的可重复性和可靠性很好，一旦机器参数设定，就很容易控制。

目前使用的激光技术涉及同时加入填充材料并用激光束辐射衬底。该材料通常以粉末或金属线的形式放在工作区。在其他方式中，以粉末喷气机的方式使用适当的喷嘴将其喷进工作区。

然而，这种方法难于实施。

首先，需要确保堆焊金属适于修补且不会破坏性地减弱被修复区域的机械特性。

其次，也需要所考虑的装置在不损害金属特性的条件下能够修补。

发明内容

因此，本发明的主题是一种用于相对于构成预修补部件的金属的金属材料的机械特性和用于验证通过与所述金属材料堆焊来修补所述金属部分的装置的方法，其特征在于其包括：

——在由要修补的所述部件的所述金属制成的棒内机加工腔穴；

——通过所述装置使用所述金属材料堆焊所述腔穴；

——从所述棒上切下测试片，这样它具有仅由堆焊金属构成的中心区域；

——对所述测试片进行轴向振动疲劳测试，以测定相对于组成金属部分的机械特性的减弱。

为了修补部件，如果制造商或机器用户利用任何分包人，可能使用与制成所述部件所用的合金不同的合金，具有用于检验所述部件能够被修补的简单手段是很重要的。本发明的方法满足了这个目的。对制造商或用户来说，所有需要做的就是为分包人提供一系列上述测试片，在实施根据本方法的堆焊操作后，分包人把它们返还给制造商或用户。对样本测试断裂后的分析将给出在机械特性方面产生令人满意的修补的能力的精确描述。

该方法最好使用激光堆焊型装置，然而，还可使用任何类型的堆焊。

特别地，对于同样由钛合金制成的部件，本方法使用由钛合金组成的金属材料，尤其是Ti17和TA6V。

有益地，所述棒具有平行六面体形状，在所述棒内机加工的所述腔穴的形状与要修补的部件内形成的腔穴的形状一致。特别地，腔穴为圆柱体状且具有横向于所述棒的轴。

附图说明

参照附图，本发明将被说明的更为详细，其中：

图1是单片叶片轮盘的局部图；

图2是堆焊喷嘴的剖面图；

图3至6是根据本发明的具有激光堆焊的机械特性测试片示意图；

图7是在堆焊测试片上振动疲劳测试的示意图；

图8是断裂面的显微图；

图9分析测试结果的示意图。

具体实施方式

图1是单片叶片轮盘1的一部分。叶片3是径向的且绕着轮盘5的外围分布。该装置为单片装置，也就是说它要么由单个坯料机加工制成，要么通过焊接至少其部分元件而制成。特别地，叶片不是通过可拆下的机械手段连接到轮盘上。易于受损的区域是前缘31、后缘32、前缘角33、后缘角34和以薄的部分装配的形成众所周知的密封条的机翼尖部的端线35。

观察到的损伤取决于该区域的位置。例如在前缘、后缘或机翼角，损伤可能是由于异体的冲击造成的材料损失或裂缝。在机翼尖部，由于与发动机壳体摩擦时常被磨损。

依赖损伤的区域，一些材料按这样的方式被除去：确定需修补区域的几何形状、尺寸和面。成形操作由机械加工完成，尤其是使用适当的工具在确保表面光洁度与预期的堆焊质量兼容的范围内碾磨，。

然后，将接受填充金属的焊接表面既以机械方式又以化学方式清洁。这种清洁要适应衬底的材料。这在钛合金Ti17的情况下尤其重要，或者合金TA6V。

图2为激光堆焊喷嘴30。该喷嘴具有进给金属粉末的通道，该金属粉末将沿激光束传输轴被堆置在要修补的区域。光束直接导向该部件，金属粉末M由气流G带入被该光束烧热的区域。

喷嘴沿要修补的区域来回移动，逐渐地建起了许多层被该激光束熔化且沉积的材料。堆焊以恒定速度和强度进行，即使沿着该部件厚度是变化的。

尤其为了限制内部变形和机械再加工以及热影响区(HAZ)的范围，对参数进行调整。在堆焊中需要考虑的参数为：

——在表面上方激光束(最好是YAG激光)焦点的高度；

——头30的行进速度；

——该光束施加的能量；

——所使用的粉末(Ti17或TA6V)该粉末不必与衬底为同样的金属，它的微粒尺寸，其最好在30μm和100μm之间，以及它的焦点；和

——夹带或者密封气体的性质，该气体最好为氦气或氩气。

所使用的喷嘴类型预先限定。速度和能量取决于所使用的机器类型。

特别地，在钛Ti17的情况下，为了避免在体积内出现多孔，据发现参数的变化必须不超过±5％。

本发明涉及用于实施该堆焊修补方法的激光焊接装置的验证(validation)。具体而言，在机器交付使用和要通过堆焊进行叶盘修补之前，检查在它们的使用过程中被修补的部件是否会受到损害性削弱是有必要的。

该验证通过在所谓的特性和验证测试片上进行。图3至6中所示的这些测试片50使之成为可能：

——用于缺氧的视觉检查，并测量堆焊的几何形状；

——在机加工后，经过或不经过热处理，通过无创和创伤测试，如染料渗透测试和显微图切面，来评估堆焊的冶金质量；

——在机加工和热处理后，以机械属性来描述激光堆焊的Ti17材料特性，即通过循环疲劳测试(cyclic fatigue，HCF)。

在叶盘修补某种情况下，最好使用从铸造叶盘坯料得到的棒50，因为它具有与要使用该装置修补的叶盘同样特性的纤维方向。为了进行这些测试，该棒例如是下述尺寸的平行六面体：100mm×19mm×8mm。

如图4中可以看出，以与从机翼前缘或后缘受损区域切下的腔穴相当的轮廓的几何形状对凹陷处52进行机加工，以形成将要修补的区域。在这里，该腔穴呈圆柱体且具有与横向于该棒的轴。

棒50要比机翼宽。如图5，通过要验证的装置将凹陷处52堆焊。该腔穴足够深，例如最深为5mm，因此需要通过形成大量的几层来实施该方法。而且，由于该棒的宽度，堆焊穿过各层进行。

当焊接完成后，如图5所示，可能有些地方会突出，考虑到没有结果，从该棒上切下切片56。切片56，图5中的阴影所示，包含堆焊部分54。在图中可看出，相对于堆焊的表面，该切片是平行的且稍微向下，例如向下1mm。例如，对于厚度为8mm的棒，抽取厚度为2.5mm的切片。因此该切片具有三个不同的部分，中心部分完全由在初始的棒的两个单元之间的堆焊金属组成。

图6是该切片56，其经过了机加工以获得与堆焊区域一起形成棒的中心部分56a。在它的中心部分，棒56a的整个厚度由堆焊材料制成。在棒56a的任意一端，宽突出部分56b形成了由机器爪抱紧的突出部分，循环疲劳测试将在该机器上进行。

这些测试，由图7中图解地示出，在于交替地施加压缩轴向力和拉伸轴向力。特别地，频率、振幅、循环次数和温度是确定的。

图8所示为裂开的测试片的表面的显微图。该测试片在堆焊区裂开。这种表面检查使得验证堆焊的质量和观察出现的缺陷属性成为可能。交替压力以Mpa绘制，对各种各样的测试片，作为循环次数的函数，在X轴上以对数标度，在循环次数后出现了裂缝则将该循环次数标示。例如，在图表上，对于由数片测试片组成的样本，绘出了由于紧急错误A或核心错误B引起的各种各样测试片的断裂的发生。

因此，通过分析该结果，用于预期装置的材料削弱级别(level)就确定了。该级别是堆焊后的材料的机械强度与在未加工的部件上这个材料机械强度的比率。

当对测试片的测试令人满意且级别超过了最小门限值时，通过实验确定，该装置得到验证。

Claims (5)

1.一种用于相对于构成要修补部分的金属的金属材料机械特性和用于验证通过与所述金属材料推焊来修补所述部分的装置的方法，其特征在于它包括：

——在所述金属的棒(50)内机加工腔穴(52)；

——通过所述装置堆焊(54)所述腔穴；

——从所述棒上切下测试片(56)，这样它具有仅由堆焊金属构成的中心区域(56a)；

——对所述测试片进行轴向振动疲劳测试。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述装置为激光堆焊型。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述金属材料是钛合金，特别是Ti17或者TA6V。

4.如权利要求1所述的方法，其中，棒(50)呈平行六面体形状，在所述棒内机加工的所述腔穴(52)的形状与要修补的部件内形成的腔穴形状相当。

5.如上述权利要求所述的方法，其中，所述腔穴是圆柱形的且其轴横向于所述棒。

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