CN1864906A - 修理单片叶片转盘的方法,起始和终了测试片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种修理涡轮机独片叶片转盘或叶盘的方法，涡轮机独片叶片转盘或叶盘包括至少一个受损区，通过在所述受损区使用焊接机堆积金属，其包括的步骤有：准备受损区，用金属堆积该区，通过机械加工重新加工修理过的区域，其特征在于：准备步骤包括机械加工受损区域，获得一规定轮廓的待修理区；在称之为开始测试片的测试片上使用焊接机进行堆焊操作，该焊接机为激光型机器，其操作参数已经预设；堆焊后检查测试片的质量；和，如果测试片的质量与修理可接受的标准一致；待修理区域使用同样的焊接机不改变操作参数进行堆积。本发明还涉及起始或终了测试片和证实设备的测试片。

Description

修理单片叶片转盘的方法，起始和终了测试片
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，尤其涉及航空涡轮机，目的在于维修转动叶片转盘。
背景技术
为了满足引擎日益增加的性能要求，单片叶片转盘或转轮，称之为“叶盘”，现在由钛合金制成，用于涡轮引擎的压缩器。在传统的转子中，叶片在其根部固定，安装在转盘边上的支座上。因此，转盘和叶片在安装成叶片转子前是分别制造的。在叶盘中，叶片和转盘直接从铸造的坯件加工而成，它们构成单个的部件。这种技术可以大大减小引擎总重，但同时大大增加制造成本。叶片根部的磨损和空腔不再存在。
但是，这种转子具有难于维修的缺点。在工作中，由于通过引擎吸入外面物体造成的撞击或通过引擎的气流中带来并与叶片表面接触的尘土或其他微粒的腐蚀，压缩机叶片可能遭到损坏。这些腐蚀或损坏如果本能根据制造商文件中说明的标准进行修复，就要更换一个或几个有缺陷的叶片。在独片叶片元件的情况下，不象传统结构，叶片是大量部件的一个整体，它们不能为了维修单独替换或拆除。需要直接在转盘上维修缺陷部分。该维修因此必须考虑到元件的所有方面，尺寸、重量，在大型元件的情况下，要修理区域的可访问性。
因此，在叶盘情况时，对于每个叶片而言，维修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。叶片是所谓的三维设计，具有特别的特征，形状在三个方向变化，沿变化的轮廓厚度也不同。要修理的区间的最大程度由引擎的使用和这些元件承担的空气动力学负载。
现有的维修技术包括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。为了拆除受损部分、不接触检查修复部分、超声冲击和使修复区域重新工作精加工，这些技术通常使用传统机械加工操作。
本发明涉及通过堆焊来维修。
在一些使用特定合金的情况下，维修尤其难于进行，焊接这样的合金会导致体缺陷。尤其是钛合金Ti17。例如，该合金在美国专利申请EP 1 340 832中提到，该申请涉及一种由这种材料制成的产品，例如叶片。当进行堆焊时，传统的和在航空工业中广为使用的TIG或微等离子技术不允许钛Ti17在允许获得可接受的结果的条件下处理。
这些传统堆焊技术导致形式缺陷。因此，与之所涉及到的很小的厚度相比，TIG堆焊使用了大量的能量，产生strain并导致大量孔状的形式，如微孔或微气泡，以及延伸的热影响区(HAZ)。这些不以检测的微孔，在机械性能上产生高达80％的削弱。这种对元件工作中行为的削弱是不可接受的，这种堆焊也不能应用。微等离子堆焊导致较小的HAZ形式，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，这样没有机器工作参数漂移或修改期望的结果。
专利US 6 568 077描述一种修复叶盘上叶片的方法，该方法中叶片受损部分先机械加工，然后在第一工作模式，失去的部分通过钨极电弧焊接机(TIG)机。在第二种操作模式中，通过电子束焊接机焊接插入物。然后，通过适当的机械加工恢复叶片的轮廓。但是这种方法没有提及当遇到特定的钛合金时会遇到问题。
申请人发现通过应用激光束使用堆焊技术避免了通常技术要遭遇的问题。尤其是，激光堆焊以一种减小焊区缺陷的技术出现。
激光堆焊早已广为人知和广为使用，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间，且层高为0.05mm到1mm间。该技术使它可以很好地冶金结合在基材上。
激光束堆焊技术具有如下优点：热流入相对时间恒定。热量没有时间在体内聚集并扩散，它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，控制就很容易了。
现在，在应用激光技术时会同时加入填充材料并用激光束辐射基材。该材料通常以粉末或金属丝的形式堆在工作区。在其他方式中，它是以粉末方式使用适当的喷嘴喷进工作区。
发明内容
因此本发明的一个目的是使用堆焊技术维修单片叶片转盘。
根据本发明，修理包括至少一个受损区的涡轮机单片叶片转盘或叶盘的方法，通过在所述受损区使用焊接机堆积金属，其包括的步骤有：准备受损区，用金属堆积该区，通过机械加工重新加工修理过的区域，其特征在于：
——准备步骤包括机械加工受损区域，获得一规定轮廓的待修理区；
——在称之为开始测试片的测试片上使用焊接机进行堆焊操作，该焊接机为激光型机器，其操作参数已经预设；
——堆焊后检查测试片的质量；和，如果测试片的质量与修理可接受的标准一致，
——待修理区域使用同样的焊接机不改变操作参数进行堆积。
通过基于控制堆焊设备的能力，本发明具有允许单片叶片转盘以工业规模进行维修的优点，堆焊设备中加热靠激光束完成。一旦设备被证实参数被设定，所需要作的事情就是通过先处理测试片，检查参数正确且没有漂移。令人惊奇的是，观察发现该方法在维修象叶盘这样复杂的元件时具有很大的可靠性。预先检查足以保证许多同一转盘上的叶片进行堆焊。
根据另一个特征，为了以补充方式确保操作正确进行，在待修理的区域或各种要修理的连续区域堆焊后，该方法包括一被称之为终了测试片的堆焊步骤和一检查终了测试片质量的步骤。
当转盘组成金属是钛合金，特别是Ti17时，该方法尤其适合。
堆焊金属的种类不受限制，但最好堆焊的金属是钛合金，特别是Ti17或TA6V。
该方法应用于从叶片尖端、前缘或后缘角部以及前缘或后缘中至少一个待修理的区域。
根据另外一个特征，该修理叶盘的方法包括一调整堆焊设备的步骤，在该步骤中，参数预设好，通过堆焊一调整测试片，随后的是无创或创伤检测堆焊质量。
特别地，调整测试片具有与待维修转盘的机翼前缘或后缘区域的轮廓相一致的轮廓。该检测包括疲劳测试，疲劳测试在测试样本上进行，测试样本由经历了堆焊的测试片机械加工而成。
本发明还涉及用于执行该方法的起始或终了测试片。其特征为它由钛合金制成，其形状仿照带有密封条的机翼尖端。
本发明还涉及用于执行该方法的起始或终了测试片，由钛合金制成，其形状仿照与预定模型一致的机翼尖端的前缘或后缘角部。
附图说明
参照附图，本方法将被说明的更为详细，其中：
图1是单片叶片转盘的局部图；
图2a和图2b所示为用于执行本发明方法维修机翼尖端的起始和终了测试片的正视图和侧视图；
图3a和图3b所示为用于执行本发明方法维修机翼尖端角部的起始和终了测试片的正视图和侧视图；
图4所示为激光堆焊喷嘴的纵向剖面图；
图5所示为用于调整激光堆焊设备的机械属性证实测试片；
图6所示为堆焊后的图5所示的测试片；
图7所示为从图6堆焊测试片上切下的循环疲劳测试样本。
具体实施方式
图1是单片叶片转盘1的一部分。叶片3在径向且绕着转盘5的外围分布。该装置为单片装置，也就是说它要么是由单个坯料机械加工制成，要么是焊接至少其部分元件而成。特别地，叶片不是通过可拆下的机械手段连接到转盘上。易于受损的区域是前缘31、后缘32、前缘角33、后缘角34和机翼尖部线35，如大家所知的那样，它设有很薄的部分，构成密封条。
观察到的损伤取决于区域位置。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，损伤多是由于与引擎壳体摩擦造成的磨损。出于经济和工业原因，要求标准化修理转盘的操作。因此，检查是否维修可行后，在受损区域执行标准化维修操作。维修与否的决定取决于暴露出故障的大小和程度。
根据损伤的区域，按这样的方式移除一定量的材料，几何形状、尺寸和需要维修的区域面总是相同。成形操作由机械加工完成，尤其是使用适当的工具在一定范围内磨销加工，确保表面光洁度与堆焊质量兼容。
然后，接受填充金属的焊接表面以机械方式或化学方式清洁。该清洁要根据基材材料而定。这在钛合金Ti17的情况下尤其重要，或者合金TA6V。
堆焊起始测试片。图2a和图2b所示为与堆焊机翼尖端相应的测试片10。该测试片呈矩形形状，厚度和长度恒定，例如为44mm，它具有与待维修的区域共有的特征：
——它最好由同种材料制成；
——它具有同样的表面、几何、热和金属特征。
图2b侧面图示了叶片边缘，其几何形状与机翼尖端在待修理区机械加工后的形状相同。该尖端包括弯曲形状的部件12和代表在叶片(radiasing)起始端的密封条基部的部件14。厚度为机翼尖端的厚度。
图3a和图3b所示为用于维修机翼尖前缘或后缘角部的测试片。测试片20为一厚度恒定的矩盘。盘被切成轮廓22，机械加工机翼尖端角部后，该轮廓与待维修的区域的轮廓相同。该轮廓包括一靠近机翼尖端与前缘或后缘平行的平直部件22a。平直部件22a通过在前缘或后缘终止的弯曲部件22b延伸出来。测试片20具有一整体第一根部24和第二根部26，第一根部24代表着部件22b与机翼的前缘或后缘的连接，第二根部26代表着部件22a与机翼尖端的连接。
图4所示为一激光堆焊喷嘴。该喷嘴具有进给金属粉末的通道，该金属粉末将沿激光束发射轴被堆置在要维修的区域。光束导向部件，金属粉末M由气流G带入光栅烧热的区域。
喷嘴沿要维修的区域来回移动，逐渐地堆起堆积材料堆，并由激光束熔化。堆焊以恒定速度和强度进行，即使是沿部件的厚度有所不同。
特别为了限制内部变形和机械再加工以及热影响区(HAZ)的程度，对参数进行调整。在堆焊中需要考虑的参数为：
——位于表面上方的激光束(最好是YAG激光)焦点的高度；
——头30的前进速度；
——光束的应用能量；
——所使用的粉末(Ti17或TA6V)该粉末不必与基材为同样的金属，它的微粒尺寸，其最好在30μm到100μm，以及它的焦点；和
——携带气体或封闭气体的特性，最好为氦气或氩气。
所使用的喷嘴的类型提前确定。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，为了避免在体内出现多孔，观察发现参数变化必须不超过±5％。
堆焊层的连贯性、它们的厚度和宽度要进行视觉检查。其目的是为了探测氧化痕迹，氧化痕迹将会导致由于封闭了气体而形成的低下防护、结合欠缺、裂痕(在双目显微镜下)和未溶化的材料。
当堆焊测试片被认为是好的时，机器参数就被证实。允许有5％的变化。
接下来的步骤是在单个部件或多个部件上维修待堆焊的区域，视情况不同而定。对所有基于同类区域和与测试片类型一致的准备好的区域进行维修。
对堆焊好的区域进行简单的视觉检查。这是因为不可能采取破坏性检查技术或需要很多空间的技术，这在叶盘上是行不通的。
终了测试片在与前目步骤同样的焊接条件下进行，以获得代表叶盘的叶片上所作的维修的结果。
在终了测试片上进行的检查允许目标叶盘的维修被证实或被证否。该检查包括冶金鉴定，搜查气泡，气泡是由金属释放出的气体构成的孔穴。在Ti17钛的情况下，微气泡小到5μm到100μm，不可能通过单纯X光照片检查出。在冶金鉴定中观察到的微孔密度是接受维修的最重要的因素。
一旦堆焊完成，进行热处理和机械再加工来完成维修。这些操作都是传统操作。
应该注意在热处理过程中需要特别小心，以免产生污垢。
本发明还涉及用于执行堆焊维修方法的激光焊接设备的证实。这是因为，在使用一个机器并用它通过堆焊维修叶盘前，必须执行一过程，调整焊接参数。
  根据本发明的另外一个特征，调整操作通过在所谓的调整测试片上进行。图5到7中所示的这些测试片50使之成为可能：
——在无氧情况下进行视觉检查，并测量堆焊的几何形状；
——在机械加工后，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；
——在机械加工和热处理后，以机械属性来标定激光堆焊的Ti17材料特点，即通过循环疲劳测试(HCF)。
最好使用从铸造坯料得到的条，因为它具有与要使用该装置维修的叶盘同样特性的纤维方向。
带有切口凹陷52的平行立面体条50被堆焊，以构成待修理的区域，凹陷52具有与从机翼前缘或后缘受损区域切下的腔穴一致的轮廓几何形状。条要比机翼宽。凹陷52通过要证实的装置堆焊。由于条的宽度，堆焊穿过各层进行。当焊接完成后，如图6所示，考虑到不会有什么后果，可能有些地方会伸出，从条上切下薄片56。薄片56，如图6阴影所示，包含堆焊部分54。图7所示的薄片56，它被机械加工以获得中心部分56a，形成与堆焊区配合的条。在其中心部分，条56a的全部厚度由堆焊材料组成。在条56a的两端，宽突出部分56b组成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。
当对测试片的测试令人满意，就认为设备的调整完成了。然后就可进行叶盘维修程序了。在两个叶盘维修程序间，不需要再执行设备调整的程序。只要证明起始和终了测试片带来了令人满意的堆焊结果就足够了。

Claims (15)

1.一种修理涡轮机单片叶片转盘或叶盘的方法，单片叶片转盘或叶盘包括至少一个受损区，通过在所述受损区使用焊接机堆积金属，其包括的步骤有：准备受损区，用金属堆积该区，通过机械加工重新加工修理过的区域，其特征在于：
——准备步骤包括机械加工受损区域，获得一规定轮廓的待修理区；
——在称之为开始测试片的测试片上使用焊接机进行堆焊操作，该焊接机为激光型机器，其操作参数已经预设；
——堆焊后检查测试片的质量；和，如果测试片的质量与修理可接受的标准一致
——待修理区域使用同样的焊接机不改变操作参数进行堆积。
2.如权利要求1所述的方法，在待修理的区域或各种要修理的连续区域堆焊后，其包括：一被称之为终了测试片的堆焊步骤，该终了测试片与初始测试片相同，和一检查终了测试片质量的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中转盘的组成金属是一种钛合金，特别是Ti17或TA6V。
4.如前面权利要求所述的方法，其中堆焊金属是一种钛合金，特别是Ti17或TA6V。
5.如权利要求1所述的方法，其中受损区位于机翼尖端。
6.如权利要求1所述的方法，其中受损区是机翼前缘或后缘的角部。
7.如权利要求1所述的方法，其中受损区位于机翼前缘或后缘。
8.如前面一条权利要求所述的方法，其中堆焊步骤通过激光束熔化填充金属完成。
9.如前面一条权利要求所述的方法，其中转盘至少具有两个受损区，所述两区域在对起始测试片处理后进行修理。
10.如前面一条权利要求所述的修理单片叶片转盘的方法，其包括通过堆焊调整测试片来调整堆焊设备参数的步骤，在该步骤中先设定参数，接下来是无创和/或有创测试，以检查堆焊的质量。
11.如前条权利要求所述的方法，其中测试片具有所述转盘的机翼的前缘或后缘的要堆焊的区域轮廓。
12.如前条权利要求所述的方法，其中检测包括在堆焊步骤后从测试片上加工下来的测试样本上进行的疲劳测试。
13.如权利要求10所述的方法，其中调整测试片从锻造叶盘坯料上切下。
14.用于执行权利要求1和4所述方法的起始和终了测试片，其形状仿照带有密封条的机翼的尖部。
15.用于执行权利要求1和5所述方法的起始和终了测试片，其形状仿照与所述预定模型一致的机翼的前缘或后缘角部。
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