基于EB-PVD的高温合金单晶叶片叶尖的修复方法技术

本发明专利技术公开了一种EB

【技术实现步骤摘要】
基于EB
‑
PVD的高温合金单晶叶片叶尖的修复方法


[0001]本专利技术属于合金工件修复
，尤其涉及一种基于电子束物理气相沉积 (EB
‑
PVD)的高温合金单晶叶片叶尖的修复装置及方法。

技术介绍

[0002]现在涡轮叶片普遍采用高强度、耐高温的Ni基高温合金制造，添加了越来越多的稀有金属和难熔金属元素，价格昂贵。同时，涡轮叶片复杂的内部冷却结构进一步提高了叶片的制造成本。据统计，单晶导向叶片的成本在40,000到100,000美元之间。发动机运行期间，涡轮转子叶片和导向叶片部件都受到严重的损害，包括热疲劳裂纹、表面氧化、蠕变、热腐蚀或侵蚀引起的退化，其中，涡轮转子叶片所处的服役环境最为严苛，50％的失效事故与转子叶片失效有关。
[0003]发动机部件的损伤如果不进行及时修复，将会降低发动机的运行效率，导致其他部件的进一步损坏。对发动机热端部件进行有效的修复，可降低运行成本和减少Re、Ta、W、Mo和Ru等稀有金属的使用。研究表明，仅仅航空发动机售后维护市场高达175亿美元，节约的合金估计超过3000吨。从维修成本与更换成本综合考虑，只要维修成本不超过更换成本的65
‑
70％，维修比更换部件更能节约成本。
[0004]钨电极惰性气体保护焊(GTAW)、等离子弧焊(PTAW)和激光焊接(LBW)是修复叶尖的三种主要方法。上述修复方法在修复缺陷和损伤的等轴晶叶片中发挥了重要的作用，有效地延长了叶片的使用寿命，提高了发动机的工作可靠性和经济性。但是，对于单晶叶片而言，上述方法易在单晶叶片叶尖产生多晶组织，破坏单晶的完整性。
[0005]电子束物理气相沉积(EB
‑
PVD)具有沉积速率高、成分与组织结构可控、可外延生长的特点，且涂层与基体具有良好的界面结合强度，作为单晶叶片修复的技术具有潜在的应用前景。但是，就目前的EB
‑
PVD设备而言，基本上是针对各类薄膜与涂层研制的，其加热方式基本上为从工件的上方加热，不适合于单晶叶片叶尖的修复。

技术实现思路

[0006]鉴于上述现有技术的全部或部分不足，本专利技术提出了一种EB
‑
PVD装置及合金工件修复方法，所述EB
‑
PVD装置及合金工件修复方法尤其适用于对高温合金单晶叶片叶尖的磨损进行修复。
[0007]作为本专利技术的一个方面，提供了一种EB
‑
PVD装置，包括：
[0008]真空单元，用于为电子束蒸发提供真空工作环境；
[0009]第一电子枪，用于蒸发沉积靶材；
[0010]第二电子枪，安装于待沉积面的下方，用于从下方对所述待沉积面进行加热；
[0011]阴极电源单元，加载于所述电子枪的阴极两端，用于加热灯丝，获得电子束；
[0012]高压电源单元，加载于所述电子枪的阴极和阳极之间，用于提供电子束流稳定的加速电压；
[0013]束流驱动控制单元，用于控制电子束到达预定的位置，并以所需的图形形状和频率扫描加热。
[0014]所述真空单元包括真空炉体，所述真空炉体包括主真空室、电子枪室和预真空室；所述主真空室内设置有若干水冷铜坩埚、水平和垂直工件加持器、观察窗口以及真空维持部件；所述电子枪室配有单独的真空泵组，以满足电子枪室对真空度更高的要求；所述电子枪室和主真空室之间采用水冷铜板分隔成部分连通的两部分，使电子枪室与主真空室的真空呈梯度分布，保证高压部件工作稳定并延长带状阴极的使用寿命；所述预真空室用来安装和拆除工件。
[0015]所述真空炉体的设计极限真空为10
‑4Pa，采用不锈钢制作、循环水冷却。
[0016]所述真空维持部件包括机械泵、罗茨泵、扩散泵、真空阀门、真空计、可编程逻辑控制器(PLC)与人机界面(HMI)。
[0017]所述第一电子枪和/或第二电子枪的单枪最大功率45kW，工作电压20kV，额定束流2A，额定总功率200kW。
[0018]所述束流驱动控制单元包括图形信号发生器、扫描偏转控制与功率放大器、操作面板和施能线圈。
[0019]所述EB
‑
PVD装置还包括监控系统，用于监控工件加热以及沉积的整个工艺过程，所述监控系统具有红外监控能力，可以观察加热工件初期电子束加热工件的温度场分布情况。
[0020]所述EB
‑
PVD装置还包括工艺参数采集与显示单元，所述工艺参数采集与显示单元实时采集电压、束流、真空、运动及温度等工艺参数，并显示和保存，嵌入VBA直接生成数据工艺EXCEL报表，便于监控和优化工艺参数，保证工艺参数的一致性。
[0021]作为本专利技术的另一个方面，提供了一种基于上述EB
‑
PVD装置的合金工件修复方法，所述合金工件包括但不限于高温合金单晶叶片叶尖，高温合金指在 600℃以上的高温环境服役，并可以承受复杂应力，具有组织结构稳定性的铁基、镍基或者钴基的奥氏体结构材料，高温合金也被称为超合金(Superalloy)。
[0022]本专利技术中以Ni基高温合金工件为例进行说明，但并不以此为限。
[0023]所述方法包括如下步骤：
[0024]S1，预备工作：清理EB
‑
PVD装置的主真空室、电子枪室、蒸发靶材和合金工件表面；将蒸发靶材置于水冷铜坩埚中，将合金工件固定于夹持器上；
[0025]S2，创建真空：清理主真空室的舱门密封圈，关闭舱门，确保无渗漏；启动循环冷却水系统，打开机械泵；当所述主真空室的真空度达到第一数值时，开启罗茨泵；当所述主真空室的真空度达到第二数值时，开启扩散泵；当主工作室的真空度达到第三数值时，进行下一步操作；
[0026]S3，预热合金工件：第二电子枪的灯丝预热后，调节预热电子束的位置和形状，增加电子束束流预热合金工件，调节束流使合金工件温度稳定在沉积所需温度；
[0027]S4，靶材预沉积：打开第一电子枪，缓慢增加所述第一电子枪的电子束流，调整第一电子枪的聚焦和扫描形状对靶材进行预热，逐渐增加所述第一电子枪的束流到蒸发电流，预蒸发一预定时间，消除靶材异物或杂质对蒸发的影响，控制沉积材料成分的稳定；
[0028]S5，沉积Ni
‑
Al合金修复涂层，沉积过程中，保持合金工件表面温度稳定以及恒定
的沉积速率；
[0029]S6，取样：沉积完毕后，继续保持真空状态，待合金工件冷却至室温后，打开真空室，取出所述合金工件。
[0030]所述第一数值为102Pa，所述第二数值为100Pa，所述第三数值为5
×
10
‑3Pa。
[0031]进一步地，在所述步骤S4和S5之间还包括沉积CaF2隔离层的步骤：采用小功率电子束蒸发CaF2作为沉积涂层与合金工件之间的隔离层，以便后续可以将所述沉积涂层从所述合金工件上剥离下来，所述小功率电子束的电压为20kV，束流20
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种EB
‑
PVD装置，包括：真空单元，用于为电子束蒸发提供真空工作环境；第一电子枪，用于蒸发沉积靶材；第二电子枪，安装于待沉积面的下方，用于从下方对所述待沉积面进行加热；阴极电源单元，加载于所述电子枪的阴极两端，用于加热灯丝，获得电子束；高压电源单元，加载于所述电子枪的阴极和阳极之间，用于提供电子束流稳定的加速电压；束流驱动控制单元，用于控制电子束到达预定的位置，并以所需的图形形状和频率扫描加热。2.根据权利要求1所述的一种EB
‑
PVD装置，其特征在于，所述真空单元包括真空炉体，所述真空炉体包括主真空室、电子枪室和预真空室；所述主真空室内设置有若干水冷铜坩埚、水平和垂直工件加持器、观察窗口以及真空维持部件；所述电子枪室配有单独的真空泵组，以满足电子枪室对真空度更高的要求；所述电子枪室和主真空室之间采用水冷铜板分隔成部分连通的两部分，使电子枪室与主真空室的真空呈梯度分布,保证高压部件工作稳定并延长带状阴极的使用寿命；所述预真空室用来安装和拆除工件。3.根据权利要求2所述的一种EB
‑
PVD装置，其特征在于，所述真空炉体的设计极限真空为10
‑4Pa，采用不锈钢制作、循环水冷却；所述真空维持部件包括机械泵、罗茨泵、扩散泵、真空阀门、真空计、可编程逻辑控制器与人机界面。4.根据权利要求1所述的一种EB
‑
PVD装置，其特征在于，所述束流驱动控制单元包括图形信号发生器、扫描偏转控制与功率放大器、操作面板和施能线圈。5.根据权利要求1所述的一种EB
‑
PVD装置，其特征在于，还包括监控系统，用于监控工件加热以及沉积的整个工艺过程，所述监控系统具有红外监控能力，可以观察加热工件初期电子束加热工件的温度场分布情况。6.根据权利要求1所述的一种EB
‑
PVD装置，其特征在于，还包括工艺参数采集与显示单元，所述工艺参数采集与显示单元实时采集电压、束流、真空、运动及温度等工艺参数，并显示和保存，嵌入VBA直接生成数据工艺EXCEL报表。7.一种合金工件修复方法，其采用权利要求1
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：孙井永，彭王强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：