[发明专利]一种修复镍基单晶高温合金涡轮叶片叶尖的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光修复以及材料微观组织生长领域，且特别涉及一种修复镍 基单晶高温合金涡轮叶片叶尖的系统和方法。

背景技术

随着现代航空发动机对于工作温度的不断提高，镍基单晶高温合金已经被广 泛用于制造涡轮高温叶片。镍基单晶合金涡轮叶片价格高昂，每片单价达到3 万美元。由于航空发动机工作环境恶劣，其叶尖部位容易产生磨损、腐蚀、裂 纹、材料缺失等缺陷。通过修复技术延长单晶涡轮叶片的使用寿命可以降低航 空发动机维护费用，节约昂贵的材料，产生巨大的经济效益。修复工艺步骤主 要包括：叶片清洗、叶片尖端检测、裂纹清洗和打磨、修复、机加工余量和检 测。

目前激光送粉熔覆技术已经被用于净成型修复多晶和柱状晶叶片，但难以修 复镍基单晶涡轮叶尖。其主要难点在接长的叶尖内获得连续的单晶组织。镍基 单晶高温合金的晶格是面心立方，具有外延生长特性(在一定温度梯度下，柱 状枝晶可沿着某个晶向一直生长)。在单晶涡轮叶片叶尖表面上激光熔覆单晶镍 基高温合金时，随着熔池的凝固，柱状枝晶将以单晶叶片叶尖的晶向为外延生 长方向进行生长。受熔池形状和温度梯度的影响，当柱状枝晶生长到一定高度 时，等轴晶组织会出现并阻止柱状枝晶继续生长。多层熔覆过程中，等轴晶组 织会阻断柱状枝晶进一步向上连续生长，并且等轴晶与柱状枝晶之间产生晶界。 由于镍基单晶高温合金缺少晶界强化元素。一旦出现晶界，在较大的热应力下， 晶界处极易出现裂纹并沿着晶界扩展延伸，直接影响修复后叶片的性能，难以 满足单晶叶片的修复要求。因此在多层甚至多层多道激光熔覆修复叶片的叶尖 过程中，完全重熔掉等轴晶组织是保证修复区域内得到全部单晶组织的关键。 因此，在激光修复镍基单晶涡轮叶片叶尖时，根据叶片叶尖宽度和局部导热环 境，实时精确控制熔池形状和温度梯度，从而保证修复的叶片叶尖内为完全的 单晶组织，满足单晶涡轮叶片的修复要求。

发明内容

本发明提出一种修复镍基单晶高温合金涡轮叶片叶尖的系统和方法，能够 成功地净成型修补出单晶涡轮叶片的叶尖，修复后的单晶叶片叶尖内全部为细 密连续的柱状枝晶，通过后续机加工完全满足单晶叶片的使用要求。

为了达到上述目的，本发明提出一种修复镍基单晶高温合金涡轮叶片叶尖 的系统，包括激光器、送粉器、机械臂、控制器，变位器和同轴送粉熔覆头， 其中所述待修复单晶涡轮叶片经打磨清理后由夹具固定在变位器上，激光器和 送粉器接入同轴送粉熔覆头，同轴送粉熔覆头固定在机械臂上，所述控制器控 制机械臂的运动轨迹。

进一步的，所述同轴送粉熔覆头垂直于单晶涡轮叶片叶尖的顶端表面。

进一步的，所述修复系统的工艺参数范围为：激光功率50W—5000W，光 斑直径为0.5mm—3mm，扫描速度5mm/s—500mm/s，送粉速率为1g/min— 30g/min，离焦量为-10mm—10mm。

为了达到上述目的，本发明还提出一种修复镍基单晶高温合金涡轮叶片叶 尖的方法，包括下列步骤：

采用线切割去掉待修复单晶涡轮叶片原有受损的叶尖；

采用砂纸打磨待修复单晶涡轮叶片叶尖的顶端表面；

使用丙酮和酒精清洗打磨后的待修复单晶涡轮叶片叶尖的顶端表面；

通过夹具将所述待修复单晶涡轮叶片固定在变位器上；

将同轴送粉激光熔覆头固定在机械臂上；

根据单晶涡轮叶片叶尖形状计算出机械臂的运动路径和姿态；

机械臂根据设定好的运动轨迹带动同轴送粉激光熔覆头运动，对单晶涡轮 叶片进行叶尖接长修复。

进一步的，所述采用砂纸打磨待修复单晶涡轮叶片叶尖的顶端表面至粗糙 度小于50微米。

进一步的，在激光修复单晶涡轮叶片过程中使用同轴氩气对单晶涡轮叶片 进行保护。

进一步的，在激光修复单晶涡轮叶片过程中，激光功率、扫描速度和离焦 量根据叶尖宽度实时动态调整。

进一步的，所述激光修复的工艺参数范围为：激光功率50W—5000W，光 斑直径为0.5mm—3mm，扫描速度5mm/s—500mm/s，送粉速率为1g/min— 30g/min，离焦量为-10mm—10mm。