控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光熔覆技術領域，尤其涉及一種控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置。
【背景技術】
[0002]航空發動機是整個航空工業的桂冠，而航空發動機渦輪葉片則被喻為桂冠上的明珠。航空發動機的整體效率與高溫渦輪葉片的工作溫度和高溫性能直接相關。隨著航空工業對于航空發動機要求的不斷提高，航空發動機的工作溫度從最初的550°C增加到現在的超過1200°C。這主要歸功于航空發動機高溫渦輪葉片的不斷發展進步。從等軸晶葉片，發展到柱狀晶葉片，以及后來的單晶葉片。高溫渦輪葉片需要在高溫高應力載荷的工作狀態下長時間運轉，其壽命直接影響著航空發動機的使用周期和維護費用。單晶渦輪葉片價格昂貴，每片單價可達3萬美元。通過修復技術延長單晶渦輪葉片的使用壽命可以降低航空發動機維護費用，節約昂貴的材料，產生巨大的經濟效益。
[0003]由于航空發動機高溫渦輪葉片工作環境惡劣，其葉尖部位容易產生磨損、腐蝕、裂紋、材料缺失等缺陷。目前常見的葉片修復方法包括弧焊和激光熔覆。修復工藝步驟主要包括:葉片清洗、葉片尖端檢測、裂紋清洗和打磨、弧焊或者激光熔覆修補、機加工余量和檢測。在修補這一環節中，弧焊和傳統的激光熔覆都難以修復單晶葉片。這主要難點在于難以實現基體單晶組織在修復區域內的連續生長。
[0004]鎳基單晶高溫合金的晶格是面心立方，具有外延生長特性(在一定溫度梯度下，微觀組織可沿著某個晶向一直生長)。在鎳基單晶渦輪葉片葉尖表面上激光熔覆單晶鎳基高溫合金時，隨著熔池的凝固，微觀組織將以單晶葉片葉尖的晶向為外延生長方向進行生長。受熔池形狀和溫度梯度的影響，當單晶組織生長到一定高度時，等軸晶組織會出現并阻止單晶組織繼續生長。多層熔覆過程中，等軸晶組織會阻斷單晶組織進一步向上連續生長，并且在等軸晶與單晶組織之間會產生晶界，由于鎳基單晶高溫合金缺少晶界強化元素，一旦出現晶界，在較大的熱應力下，晶界處極易出現裂紋并沿著晶界擴展延伸，直接影響修復后葉片的性能，難以滿足單晶葉片的修復要求。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置，以使修復區域內能夠得到完全的單晶組織，從而實現鎳基單晶渦輪葉片的修復，保證修復后葉片的性能。
[0006]為了達到上述目的，本發明提供一種控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法，其通過主動冷卻裝置在激光熔覆鎳基單晶渦輪葉片尖端時對所述鎳基單晶渦輪葉片的兩側進行主動冷卻，從而增強所述鎳基單晶渦輪葉片軸向的溫度梯度。
[0007]進一步的，所述主動冷卻裝置的具體工作方法包括:將氬氣、空氣經過空氣壓縮機后形成的高壓氣流接入渦流管，渦流管產生的低溫氣流通過冷卻噴嘴在激光熔覆區域周圍形成冷卻流場，主動冷卻鎳基單晶渦輪葉片的兩側。
[0008]進一步的，所述空氣壓縮機的出口壓力控制在20_25Mpa。
[0009]進一步的，所述渦流管產生的冷卻氣流溫度控制在_30°C?-15°C。
[0010]進一步的，通過CXD或CMOS紅外相機監測并記錄激光熔池附近的溫度分布，通過閉環反饋實時控制工藝參數，使得熔池凝固界面沿著豎直方向的溫度梯度保持在IX17?I X 19攝氏度/米以及激光熔池的尺寸保持在D:W:H = I?1.5:4?5:2?3，其中D為基材熔化深度，W為熔池寬度，H為熔池高度。
[0011]本發明還提供一種控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的裝置，所述裝置即為上述主動冷卻裝置，所述主動冷卻裝置包括空氣壓縮機、渦流管和兩個冷卻噴嘴，所述空氣壓縮機的入口端通入氣體，其出口端接入所述渦流管，所述兩個冷卻噴嘴均設置于激光熔覆裝置中激光噴嘴的周側，并與所述激光噴嘴隨動，所述兩個冷卻噴嘴的一端均接入所述渦流管的出口端，所述兩個冷卻噴嘴的另一端分別對準所述鎳基單晶渦輪葉片的兩側。
[0012]進一步的，所述冷卻噴嘴的另一端均分別斜向下對準所述鎳基單晶渦輪葉片的兩側靠近葉片的位置。
[0013]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0014]本發明提供的控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置通過主動冷卻裝置主動冷卻熔覆周圍區域，特別是鎳基單晶渦輪葉片的兩側外壁，增大了熔池沿垂直葉尖方向的溫度梯度，從而增強單晶組織的外延生長能力，減小等軸晶的產生，實現單晶組織在多層熔覆過程中的連續生長，從而滿足鎳基單晶渦輪葉片葉尖磨損的接長修復要求。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖對本發明作進一步說明:
[0016]圖1為本發明實施例提供的控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置中主動冷卻裝置的結構示意圖；
[0017]圖2為本發明實施例提供的控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置中冷卻噴嘴的結構示意圖。
[0018]在圖1和圖2中，
[0019]1:空氣壓縮機；2:渦流管；3:冷卻噴嘴；4:控制器；5:光纖激光發生器；6:送粉器；7:激光喂'嘴；8:鎮基單晶禍輪葉片；9:環境控制箱。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖和具體實施例對本發明提出的控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置作進一步詳細說明。根據下面說明和權利要求書，本發明的優點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0021]本發明的核心思想在于，提供一種控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置，其通過主動冷卻裝置主動冷卻熔覆周圍區域，特別是鎳基單晶渦輪葉片的兩側外壁，增大了熔池沿垂直葉尖方向的溫度梯度，從而增強單晶組織的外延生長能力，減小等軸晶的產生，實現單晶組織在多層熔覆過程中的連續生長，從而滿足鎳基單晶渦輪葉片葉尖磨損的接長修復要求。
[0022]請參考圖1和圖2，圖1為本發明實施例提供的控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的方法及裝置中主動冷卻裝置的結構示意圖；圖2為本發明實施例提供的控制激光熔覆單晶合金過程中組織生長的