一種激光修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置和冷卻方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及激光修復以及材料微觀組織生長控制領域，且特別涉及一種修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置和冷卻方法。
【背景技術】
[0002]航空發動機在現代航空工業中起著舉足重要的作用。航空發動機的性能指標直接決定著飛機的飛行性能。近幾十年來，航空發動機的發展與航空材料，特別是耐高溫材料的發展息息相關。目前鎳基單晶合金已經被廣泛地用作航空發動機高溫渦輪葉片的材料。鎳基單晶高溫合金以其優異的高溫抗蠕變、抗疲勞性能使得航空發動機的工作溫度從最初的850°C增加到現在的超過1600°C。單晶渦輪葉片在高溫、高壓、循環應力載荷的的環境中長時間工作會產生各種缺陷，如熱裂紋、磨損、腐蝕、裂紋、材料缺失等缺陷。這些缺陷會降低航空發動機的效率，嚴重的會導致航空發動機損毀。鎳基單晶高溫合金材料價格昂貴，單晶渦輪葉片制造工藝復雜，失敗率高。這些因素導致每片單晶渦輪葉片的價格可達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]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，弧焊熱源能量密度低，熱輸入大、會造成較大的熱影響區。針對單晶渦輪葉片的薄壁葉尖結構，弧焊技術難以凈成型修補出新的葉尖，并保證修補的葉尖內部為與基材一致的單晶組織。激光熔覆工藝具有熱源能量密度大、熱輸入量小等優點，可以凈成型在葉尖上修補出葉尖。因此激光熔覆技術是目前最理想的單晶渦輪葉片修復技術。
[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。激光多層熔覆過程中，等軸晶組織會阻斷單晶組織進一步向上連續生長，并且等軸晶與單晶組織之間產生晶界。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。因此在多層甚至多層多道激光熔覆修復葉片的葉尖過程中，完全重熔掉等軸晶組織是保證修復區域內得到全部單晶組織的關鍵。
[0005]單晶組織的分布直接與熔池形狀和溫度梯度相關，平緩的熔池和較大的溫度梯度有利于單晶組織的生長。激光修復單晶渦輪葉片尖端時，受限于葉片尖端的薄壁形狀，熔覆區域內的熱量難以快速通過葉片散出去，造成的熔池的溫度梯度較小。因此對于激光修復單晶葉片來說，相比于控制熔池形狀，控制熔池的溫度梯度更加容易。通過增大局部的溫度梯度，可以增強單晶組織的外延生長，從而減少等軸晶組織，從而實現多層熔覆過程中等軸晶組織完全被重熔，滿足單晶渦輪葉片的修復要求。
【發明內容】
[0006]本發明提出一種激光修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置和冷卻方法，通過調節冷卻氣流的大小、溫度以及冷卻噴嘴的位置和角度，使激光修復單晶渦輪葉片過程中達到最好的主動冷卻效果。
[0007]為了達到上述目的，本發明提出一種激光修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置，包括:空氣壓縮機，換熱器和環形冷卻裝置，其中所述空氣壓縮機將待冷卻氣體壓縮為高速高壓氣流，并將其接入到所述換熱器中，所述換熱器將接入氣流冷卻后接入環形冷卻裝置，所述環形冷卻裝置設置于激光熔覆系統的工作臺上方并環繞工件設置。
[0008]進一步的，所述待冷卻氣體為氬氣、氮氣或空氣。
[0009]進一步的，所述高速高壓氣流的流量為10升/分鐘-100升/分鐘。
[0010]進一步的，所述高速高壓氣流的氣壓為5兆帕至10兆帕。
[0011]進一步的，所述換熱器冷卻物質為液氮，其將接入氣流冷卻到-30°C至_50°C。
[0012]進一步的，所述環形冷卻裝置的內表面設置有密排小孔。
[0013]進一步的，所述密排小孔斜向下角度為10°至80°噴出冷卻氣流。
[0014]為了達到上述目的，本發明還提出一種激光修復單晶渦輪葉片過程中的冷卻方法，包括下列步驟:
[0015]將待冷卻氣體經過空氣壓縮機后形成高速高壓氣流；
[0016]將高速高壓氣流接入換熱器，經過換熱器內回形管路進行熱交換，將接入氣流冷卻后接入環形冷卻裝置；
[0017]將冷卻氣流通過環形冷卻裝置內表面的密排小孔斜向下噴出，在工件周圍形成一個均勻環形冷卻流場。
[0018]進一步的，所述高速高壓氣流的流量為10升/分鐘-100升/分鐘，氣壓為5兆帕至10兆帕。
[0019]進一步的，所述換熱器冷卻物質為液氮，其將接入氣流冷卻到_30°C至_50°C。
[0020]進一步的，所述環形冷卻裝置內表面密排小孔斜向下角度為10°至80°噴出冷卻氣流。
[0021 ]本發明提出一種激光修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置和冷卻方法，通過主動冷卻熔覆周圍區域，特別是渦輪葉片的外壁，可以增大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，從而滿足單晶葉片葉尖磨損的接長修復要求。
【附圖說明】
[0022]圖1所示為本發明較佳實施例的修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置結構示意圖。
[0023]圖2所示為本發明較佳實施例的環形冷卻裝置結構示意圖。
[0024]圖3所示為本發明較佳實施例的修復單晶渦輪葉片的主動冷卻方法流程圖。
[0025]圖4所示為修復后的單晶葉片內細密連續的單晶組織結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖給出本發明的【具體實施方式】，但本發明不限于以下的實施方式。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，僅用于方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。
[0027]請參考圖1，圖1所示為本發明較佳實施例的激光修復單晶渦輪葉片的主動冷卻裝置結構示意圖。本發明提出一種激光修復單晶渦輪葉片的主