钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局部定向冷却修复方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局部定向冷却修复方法，在薄壁叶片缺损修复点周围预先粘接一定量的铁粉，利用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，激光熔覆过程中产生的高温使钛合金粉末熔化，热量向薄壁叶片周围传导，使铁粉熔化，铁粉熔化需要吸收大量的热，从而降低了薄壁叶片熔覆过程中过度受热、变形、过烧和烧穿。同时，通过铁粉进行局部定向冷却，影响区小，熔覆层微观组织均匀，晶粒细化，显著减少内应力和裂纹，有效的提高钛合金薄壁叶片的修复成型质量，熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度，应力应变小，裂纹和气孔少，结合强度高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种，在薄壁叶片缺损修复点周围预先粘接一定量的铁粉，利用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，激光熔覆过程中产生的高温使钛合金粉末熔化，热量向薄壁叶片周围传导，使铁粉熔化，铁粉熔化需要吸收大量的热，从而降低了薄壁叶片熔覆过程中过度受热、变形、过烧和烧穿。同时，通过铁粉进行局部定向冷却，影响区小，熔覆层微观组织均匀，晶粒细化，显著减少内应力和裂纹，有效的提高钛合金薄壁叶片的修复成型质量，熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度，应力应变小，裂纹和气孔少，结合强度高。【专利说明】
本专利技术属于激光熔覆增材制造领域，涉及一种钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局 部定向冷却修复方法。 技术背景 钛合金具有比强度高、高低温性能好、耐腐蚀等优点，被广泛应用于航空航天领 域，是航空叶片等结构件的首选材料。但其耐磨性能较差，航空压气机叶片常因震动摩擦、 沙粒冲击等原因而产生较严重的损伤。 常见的叶片表面缺陷修复的法有焊接（包括激光焊接、电弧焊接、火焰焊接、电子 束焊接、等离子焊接、真空钎焊、和钨极惰性气体保护（TIG)焊等），热喷涂（包括等离子喷 涂、火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、真空涂层法和超音速喷涂等），以及等离子体熔覆修复 等。 但这些方法在修复过程中的非稳态剧烈加热，加热强度大，热流密度集中，零件升 温速度极快，并且热源和工件保持相对运动状态，局部加热时间短，只能使零件局部融化或 零件表面产生微熔，修复过程中引起的收缩变形使叶片的安装精度难以保证。同时会造成 薄壁零件过度受热、变形、过烧以及穿烧，严重影响了零件的尺寸，降低了零件的强度等性 能指标，甚至使零件报废。因此需对钛合金薄壁叶片在加工过程中有效冷却，以防止其非稳 态剧烈加热加工过程中的过度受热、变形、过烧、烧穿，确保其使用要求。 激光熔覆是超快速加热和超快速冷却的过程，具有熔覆过程中对基材的热输入量 少，热影响区小，熔覆层组织细小，易于实现自动化等优点，因此采用激光熔覆的方法修复 叶片与其它方法相比具有明显的优势。激光熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度，无裂 纹和气孔，良好的结合界面。 目前，主要采用机械夹持的方法来防止薄壁零件的受热变形，由此带来工装十分 复杂，实施也比较困难，而且该方法不能防止薄壁零件被过度受热、过烧、烧穿及由此引起 的强度等性能的下降。一般采用的冷却技术室利用物质热容吸热原理，通过气体、液体介质 的对流、热传导等方式来散热降温，由于物质等压热容大都在20?40Jk^iior 1范围内，而 激光熔覆过程中的加热具有非稳态性和激烈性的特征，对叶片采用此种方法冷却的效果不 大，难以有效预防薄壁零件被过度受热、变形、过烧和烧穿。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局部定向冷却修复 方法，能够有效的提高钛合金薄壁叶片的修复成型质量。 为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是： ，包括以下步骤： 1)将铁粉与粘结剂混合均匀，得到铁粉混合物； 2)在损伤的钛合金薄壁叶片上粘贴铁粉混合物，其中铁粉混合物粘贴在距离钛合 金薄壁叶片缺损修复点3?8mm处，呈环形分布，且缺损修复点的面积与铁粉混合物的粘贴 面积之比为1 :(1?2); 3)将粘贴了铁粉混合物后的钛合金薄壁叶片放入充满惰性气体的手套箱内，用送 粉器将修复用的钛合金粉末输送到钛合金薄壁叶片的缺损修复点上，同时激光器发射激光 使缺损修复点上的钛合金粉末烙化，形成烙池，然后停止输送钛合金粉末和激光照射，自然 冷却至室温，完成钛合金薄壁叶片的激光熔覆； 4)采用喷砂机对激光熔覆后的钛合金薄壁叶片进行表面处理，除去钛合金薄壁叶 片上粘贴的铁粉混合物，即完成对钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局部定向冷却修复。 所述的铁粉混合物中铁粉与粘结剂的质量比为（3?5) :1。 所述的铁粉的粒径为50?200 μ m。 所述的粘结剂为水玻璃、石蜡基粘结剂或聚合物粘结剂。 所述的缺损修复点的直径彡10mm。 所述的送粉器的输送钛合金粉末的速度为30?120g/min。 所述的激光器的功率为2000W。 所述的激光器照射在缺损修复点上的光斑直径 < 缺损修复点的直径。 所述步骤3)中在进行激光照射时控制缺损修复点处的温度为1660?1690°C。 相对于现有技术，本专利技术的有益效果是： 在一般的激光熔覆过程中，钛合金薄壁叶片熔化释放大量的热，会使叶片过度受 热、变形、过烧或烧穿，而本专利技术在钛合金薄壁叶片的缺损修复点周围粘贴铁粉，利用金属 熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，在激光熔覆修复钛合金薄壁叶片的缺损修复点 时，熔池周围产生高温使钛合金粉末熔化，产生的热量向钛合金薄壁叶片周围传递给铁粉， 铁粉在被加热到其熔点附近的温度时，由于熔化存在相变潜热，在局部会吸收大量的热量。 由于钛合金熔点为1678°C，铁粉熔点为1535°C，钛合金薄壁叶片冷却到铁粉熔点附近的温 度时已经凝固为固态，而此时铁粉正好熔化，铁粉熔化过程将钛合金凝固过程中产生的大 量热量吸收，可以有效防止钛合金薄壁叶片过度受热、变形、过烧或烧穿，从而实现对钛合 金薄壁叶片的低应力微变形定向冷却。 另外，本专利技术还具有以下优点： 1、激光熔覆过程对基材的热输入量少，通过铁粉进行局部定向冷却，影响区小，使 得内部的熔覆层微观组织均匀，晶粒细化，显著减少内应力和裂纹，有效的提高钛合金薄壁 叶片的修复成型质量。 2、利用金属熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，采用铁粉定向冷却，得到的 熔覆层比等离子体熔覆层有更高的硬度，应力应变小，裂纹和气孔少，结合强度高。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术的示意图； 图2为本专利技术的缺损修复点的局部放大图； 图中：1.工作台、2.基板、3.钛合金薄壁叶片、4.缺损修复点、5.送粉器、6.激光 器、7.手套箱、8.铁粉混合物、9.熔池、10. CNC系统。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的详细说明： 钛合金薄壁叶片激光熔覆成形过程中，传统的冷却方法为循环水冷或铁片、铜片 机械夹持固定方式导热，结构复杂，且在夹持过程中容易引起薄壁叶片的变形。本专利技术利用 钛合金熔化相变潜热非稳态局部高效吸热原理，采用铁粉粘接方式进行热传导，由于钛合 金熔点为1678°C，铁粉熔点为1535°C，铁粉的熔点比钛合金低，钛合金熔化过程中吸收热 量、凝固过程中释放潜热。钛合金凝固过程中释放的热量被铁粉吸收，钛合金凝固为固态 时，温度低于1678°C，但高于铁粉的熔点1535°C，因此释放的热量可以使铁粉熔化。由于熔 覆成型过程中所选金属材料的熔点必须接近并低于钛合金熔点，因此选择铁粉较为合适。 另一方面，铁粉在钛合金叶片之间粘接在一起，两者的熔点不同，铁粉的熔化总是在钛合金 凝固过程中完成的，因此铁粉与钛合金叶片之间不会产生冶金结合，钛合金熔覆成型过程 中不会对叶片产生变形，不会引起应力集中，属于低应力冷却。 本专利技术提供的，包括以下 步骤： 1、铁粉与粘结剂混合，得到铁粉混合物：所用铁粉粉末颗粒直径为50?2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局部定向冷却修复方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将铁粉与粘结剂混合均匀，得到铁粉混合物；2)在损伤的钛合金薄壁叶片(3)上粘贴铁粉混合物(8)，其中铁粉混合物粘贴在距离钛合金薄壁叶片(3)缺损修复点(4)3～8mm处，呈环形分布，且缺损修复点(4)的面积与铁粉混合物的粘贴面积之比为1：(1～2)；3)将粘贴了铁粉混合物后的钛合金薄壁叶片(3)放入充满惰性气体的手套箱(7)内，用送粉器(5)将修复用的钛合金粉末输送到钛合金薄壁叶片(3)的缺损修复点(4)上，同时激光器(6)发射激光使缺损修复点(4)上的钛合金粉末熔化，形成熔池(9)，然后停止输送钛合金粉末和激光照射，自然冷却至室温，完成钛合金薄壁叶片的激光熔覆；4)采用喷砂机对激光熔覆后的钛合金薄壁叶片(3)进行表面处理，除去钛合金薄壁叶片(3)上粘贴的铁粉混合物，即完成对钛合金薄壁叶片激光熔覆低应力局部定向冷却修复。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：魏正英，杜军，卢秉恒，陈祯，赵光喜，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61