一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置及修复方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置及修复方法，包括激光熔覆装置、低温循环液冷装置和叶片夹持装置，激光熔覆装置包括激光器、激光熔覆头、机械臂、送粉器和氩气瓶，激光熔覆头安装在机械臂的端部，激光熔覆头与激光器连接，送粉器与激光熔覆头连接，氩气瓶与送粉器连接；低温循环液冷装置包括循环冷却器和冷却箱，冷却箱与循环冷却器连接，叶片夹持装置固定在冷却箱内。本发明专利技术精准控制激光熔覆修复单晶涡轮叶片叶身裂纹过程中熔池的形态及其凝固条件，促进柱状枝晶的外延生长，以使修复区域内能够获得完全的单晶组织，从而实现镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复，保证修复后叶片的服役性能。保证修复后叶片的服役性能。保证修复后叶片的服役性能。

【技术实现步骤摘要】
一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置及修复方法


[0001]本专利技术涉及激光增材修复及再制造
，尤其是涉及一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置及修复方法。

技术介绍

[0002]镍基单晶涡轮叶片应用于先进航空发动机，用于提高其工作温度和推重比。镍基单晶涡轮叶片微观组织沿着叶身呈定向生长的定向柱状枝晶，整体为单一晶粒结构，制造过程复杂，成品率低，因此单晶涡轮叶片的价格高昂。在苛刻的高温高压高应力载荷的工作条件下长时间服役时，单晶涡轮叶片往往产生叶尖磨损，热障涂层脱落，烧蚀等缺陷，从而降低航空发动机的服役性能，影响甚至破坏其工作安全。其中以单晶涡轮叶片叶身的纵向裂纹最为致命，严重降低了单晶涡轮叶片服役寿命，导致其提前被更换。这极大增加了航空发动机的维护和使用成本，同时也降低了飞机的战备率。采用修复工艺对镍基单晶涡轮叶片的叶身裂纹进行修复，使其重新被使用，不仅可以延长单晶涡轮叶片的服役寿命，节约大量昂贵的金属材料，还可以降低航空发动机的维护费用，产生巨大的经济效率。
[0003]当前针对叶片修复有多种工艺方法，包括弧焊、电子束焊和激光熔覆等。修复工艺步骤主要包括：叶片清洗、缺陷测量、缺陷修复、机加工余量与打磨检测。其中以激光熔覆技术最具有潜力。激光熔覆技术利用高能激光束可以在局部区域形成微小的熔池，从而实现近净成形修复单晶叶片。然而，针对单晶涡轮叶片的叶身裂纹修复，激光熔覆修复往往面临着激光束与叶身取向不一致，熔池柱状晶外延生长方向难以精准控制，修复区域往往形成取向杂乱的晶粒，难以获得单晶结构，导致修复失败。如何控制激光熔覆修复镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹过程中的熔池凝固条件，从而实现修复区域为连续完整与基体取向一致的外延柱状枝晶是激光熔覆修复镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹成功的关键技术瓶颈。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置及修复方法，精准控制激光熔覆修复单晶涡轮叶片叶身裂纹过程中熔池的形态及其凝固条件，促进柱状枝晶的外延生长，以使修复区域内能够获得完全的单晶组织，从而实现镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复，保证修复后叶片的服役性能。
[0005]根据本专利技术的一个目的，本专利技术提供一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，包括激光熔覆装置、低温循环液冷装置和叶片夹持装置，所述激光熔覆装置包括激光器、激光熔覆头、机械臂、送粉器和氩气瓶，所述激光熔覆头安装在所述机械臂的端部，所述激光熔覆头与所述激光器连接，所述送粉器与所述激光熔覆头连接，所述氩气瓶与所述送粉器连接；所述低温循环液冷装置包括循环冷却器和冷却箱，所述冷却箱与所述循环冷却器连接，所述叶片夹持装置固定在所述冷却箱内。
[0006]进一步地，所述激光器、所述送粉器和所述机械臂分别与计算机连接。
[0007]进一步地，所述激光熔覆头处于竖直向下的初始姿态。
[0008]进一步地，所述送粉器内盛装有镍基单晶粉末材料。
[0009]进一步地，所述氩气瓶内装有99.999％的高纯度氩气。
[0010]进一步地，所述冷却箱设有进液口和出液口，所述冷却箱的所述进液口和所述出液口分别通过管路与所述循环冷却器连接。
[0011]进一步地，所述激光器的输出功率为0
‑
1000W，所述激光器的直径为0.5mm
‑
2mm，所述激光器的调制脉冲输出频率为0
‑
50Hz，所述激光器的占空比为15％
‑
100％，移动速度为0
‑
10mm/s，同轴送粉速率为1g/min。
[0012]进一步地，所述低温循环液冷装置内的冷却液的温度为
‑
30℃
±
10℃，所述冷却液的持续流量为0
‑
10L/min。
[0013]根据本专利技术的另一个目的，本专利技术提供一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复方法，包括如下步骤：
[0014]S1，激光熔覆修复镍基单晶涡轮叶片的叶身裂纹修复前，对单晶涡轮叶片的叶身进行打磨去除掉热障涂层材料以及锈蚀和油污，并进行超声清洗和丙酮清洗；
[0015]S2，对叶片叶身的裂纹进行检测，对裂纹进行轻微的开坡口加工；
[0016]S3，叶片夹持装置将单晶涡轮叶片紧固后，将待修复镍基单晶涡轮叶片装夹在低温循环冷却装置上；叶片下端浸入低温冷却液中，对叶片持续提供冷却；
[0017]S4，调整镍基单晶涡轮叶片的夹持姿态，镍基单晶涡轮叶片与激光熔覆头的夹角保持在0
‑
45
°
范围内，激光熔覆的焦点对准裂纹修复的起始位置，即单晶叶片叶身裂纹的最低点；
[0018]S5，低温循环液冷装置循环输出低温冷却液，开始进行激光修复；
[0019]S6，根据裂纹的分布，制定激光熔覆头的修复路径，修复路径从裂纹的起始位置即最低点逐步移动到裂纹的最高点；
[0020]S7，激光熔覆头在修复移动过程中，围绕激光焦点以后仰的姿态同步作周期性摆动，从而改变熔池的形态以及凝固界面上晶体生长行为；激光修复过程结束后，对镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹修复区域进行轻微的打磨，去除掉余量，最终完成整个修复过程。
[0021]进一步地，S2中，坡口的深度为叶片叶身厚度的1/4
‑
1/2，坡口的宽度与坡口深度的比例为0.8：1.0；S7中，激光熔覆头摆动的角度范围为1
°‑
10
°
，周期性摆动的频率为0
‑
20次/分钟。
[0022]本专利技术的技术方案通过耦合控制激光熔覆工艺参数、激光熔覆头与叶片叶身的夹角以及辅助温度梯度调控工艺参数，精准控制激光熔覆修复单晶涡轮叶片叶身裂纹过程中熔池的形态及其凝固条件，促进柱状枝晶的外延生长，以使修复区域内能够获得完全的单晶组织，从而实现镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复，保证修复后叶片的服役性能。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1是本专利技术实施例的结构示意图；
[0025]图2是本专利技术实施例单晶叶片叶身裂纹的机加工坡口示意图；
[0026]图3是本专利技术实施例使用时的结构示意图；
[0027]图4是本专利技术实施例使用时的另一结构示意图。
[0028]图中，1、激光器，2、激光熔覆头，3、机械臂，4、计算机，5、送粉器，6、氩气瓶，7、循环冷却器，8、冷却箱，9、进液口，10、出液口，11、叶片夹持装置，12、单晶涡轮叶片，13、裂纹。
具体实施方式
[0029]下面将结合实施例对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，包括激光熔覆装置、低温循环液冷装置和叶片夹持装置，所述激光熔覆装置包括激光器、激光熔覆头、机械臂、送粉器和氩气瓶，所述激光熔覆头安装在所述机械臂的端部，所述激光熔覆头与所述激光器连接，所述送粉器与所述激光熔覆头连接，所述氩气瓶与所述送粉器连接；所述低温循环液冷装置包括循环冷却器和冷却箱，所述冷却箱与所述循环冷却器连接，所述叶片夹持装置固定在所述冷却箱内。2.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述激光器、所述送粉器和所述机械臂分别与计算机连接。3.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述激光熔覆头处于竖直向下的初始姿态。4.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述送粉器内盛装有镍基单晶粉末材料。5.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述氩气瓶内装有99.999％的高纯度氩气。6.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述冷却箱设有进液口和出液口，所述冷却箱的所述进液口和所述出液口分别通过管路与所述循环冷却器连接。7.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述激光器的输出功率为0
‑
1000W，所述激光器的直径为0.5mm
‑
2mm，所述激光器的调制脉冲输出频率为0
‑
50Hz，所述激光器的占空比为15％
‑
100％，移动速度为0
‑
10mm/s，同轴送粉速率为1g/min。8.根据权利要求1所述的一种镍基单晶涡轮叶片叶身裂纹的修复装置，其特征在于，所述低温循环液冷装...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘朝阳，梁忠伟，邹涛，刘晓初，萧金瑞，刘佳伟，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：