一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统技术方案

本发明专利技术属于高温合金相关技术领域，并公开了一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统。该方法包括下列步骤：S1对于材料为高温合金单晶的待修复对象，确定该待修复对象的<001>晶向；S2在待修复对象上待修复处开槽，利用金属粉末进行激光熔覆逐层填补该槽，以此实现待修复对象的修复，其中，在激光熔覆过程中，离轴热流方向垂直与所述槽中坡面内表面，且所述离轴热流方向与<001>中角度最近的晶向的夹角不超过30

【技术实现步骤摘要】
一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统


[0001]本专利技术属于高温合金相关
，更具体地，涉及一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统。

技术介绍

[0002]航空航天行业对于涡轮发动机的叶片材料有极高的性能标准，特别是在恶劣的运行环境下，对于材料的延展性，高温强度，疲劳抗力，蠕变性能和抗氧化性都有一定的要求。镍基单晶高温合金由于消除产生偏析的全部晶界和晶界强化元素，展现了在超过1700℃的高温工作环境下依旧稳定的力学性能和抗氧化性能。目前的单晶叶片采用“精密铸造+定向凝固”的复杂制造工艺，成品率低，制造成本昂贵。但由于在严苛环境中的长期服役，单晶叶片会不可避免的出现不同类型的损伤如开裂、振动磨损、氧化腐蚀等。这种局部的损伤同样对于叶片的性能有着极大的影响，情况严重甚至会导致叶片的直接开裂。同直接的叶片更换相比，通过修复和再制造技术，恢复受损叶片的微观组织和气动外形，再现其优异的力学性能，对于成本的维护和设备可靠性的意义更为深远。
[0003]传统叶片修复中，单一形状的重塑工作已无法满足单晶叶片内部的晶体学取向的一致性，这在零件的修复过程中会产生杂晶、裂纹等缺陷，使得传统的修复工作难以再现零件的高温使用性能。然而通过激光熔覆实现单晶的外延生长，达到单晶修复的目的，目前已被证实为可行高效的修复手段之一。同时，在优化的工艺窗口内，激光熔覆增材技术，可以实现单晶基体的外延生长，在晶体学取向方面，沉积层与基体材料保持高度一致，有望满足单晶叶片的修复需求。但是，实际的修复环境与实验测试不同，外部环境的波动会影响单晶修复过程中的温度梯度，凝固速度等因素。所以，高温合金单晶的激光修复工艺仍需进一步的完善。
[0004]镍基高温合金为面心立方晶体，其<100>方向为择优生长方向，单晶的多方向同时竞争生长会促使在枝晶的交叉位置上，发生柱状晶向等轴晶的转变，从而阻断单晶的外延生长。单晶的择优生长方向与激光热流移动方向和单晶生长方向相关联，即通过控制热流移动方向，可以促进单晶微观组织在同一方向上的持续外延生长。针对于不平整的叶片表面的裂纹，激光修复中的离轴热流是不可避免的会影响到晶体生长，甚至会在熔覆层再次产生杂晶和裂纹。因此，控制好修复过程中的角度，是复杂几何结构修复的关键。此外，激光熔覆的工艺参数，以及局部的热输入所带来的稳定高温度梯度(>106K/m)，都有利于在熔覆层中形成于母材晶体取向相似的单晶结构。
[0005]上海交通大学刘朝阳等人通过在激光加工过程中接入换热器，并在工作部位加入环形冷却装置(CN201610102930.7)，增大温度梯度，对于涡轮叶片叶尖的修复效果显著。但是对于形状和修复轮廓不规则的叶片壁，冷却系统对于离轴热流的效果较弱，单晶的外延组织的择优生长方向收到热流方向的干扰，容易产生杂晶，甚至出现裂纹。西北工业大学李磊等人在冷却系统的基础之上加入加热保温装置(CN201910999704.7)，对待修复叶片进行分区域多温度控制，减少温度差，降低修复后的热应力和热变形。然而加热线圈消除不了激
光熔覆过程中离轴热流移动对于单晶生长的影响，因此该方法只能满足叶片平整表面的修复。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法及修复系统，解决高温合金单晶修复过程中易于产生杂晶和裂纹的问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，该方法包括下列步骤：
[0008]S1对于材料为高温合金单晶的待修复对象，确定该待修复对象的<001>晶向；
[0009]S2在待修复对象上待修复处开槽，利用金属粉末进行激光熔覆逐层填补该槽，以此实现待修复对象的修复，其中，在激光熔覆过程中，离轴热流方向垂直与所述槽中坡面内表面，且所述离轴热流方向与<001>中角度最近的晶向的夹角不超过30
°
，以此抑制修复过程中杂晶的生长。
[0010]进一步优选地，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中需保证熔池与待修复对象基体之间稳定的温度梯度。
[0011]进一步优选地，在步骤S1中，所述高温合金单晶为镍基高温合金。
[0012]进一步优选地，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中熔覆层的温度为700℃～900℃，所述待修复对象基体温度为
‑
20℃～
‑
50℃。
[0013]进一步优选地，在步骤S2之后还需对待修复对象进行热处理，以去除残余应力。
[0014]进一步优选地，在步骤S2中，所述金属粉末的粉末粒径为45μm～105μm。
[0015]进一步优选地，在步骤S2中，所述激光熔覆的激光功率600W～1800W，扫描速度20mm/s～50mm/s，送粉量6g/min～20g/min，光斑直径1mm～2mm，多道熔覆层搭接率10％～50％。
[0016]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述所述的修复方法的修复系统，其特征在于，该修复系统包括工作台、激光器、加热线圈、传感器和冷却单元，其中：
[0017]待修复对象放置在工作台上，所述激光器用于进行激光熔覆，所述加热线圈设置在待修复对象上方，用于对激光熔覆的熔池进行加热，以保持熔池的温度，所述传感器用于实时监测熔池的温度，所述冷却单元设置在工作台下方，用于对待修复对象基体进行冷却，以保证熔池和基体之间稳定的温度梯度。
[0018]进一步优选地，所述工作台上还设置有散热片，待修复对象放置在散热片上，便于待修复对象更好的散热。
[0019]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0020]1.本专利技术中通过在待修复处开槽，且保证激光熔覆过程中离轴热流方向与单晶的最优取向小于30
°
角度，利用离轴热流方向控制单晶的外延组织的择优生长方向，避免在熔覆过程中产生杂晶，出现裂纹；
[0021]2.本专利技术在激光熔覆过程中保持熔池与基体之间的温度梯度，在获得较大的温度梯度同时保持较小的凝固速度，消除了在激光熔覆过重中离轴热流方向的移动对单晶生长的影响，使重熔过程中杂晶消除，达到高效修复单晶组织的效果；
[0022]3.本专利技术中提供的修复方法，其不仅仅适用于形状和修复轮廓规则的产品，同时也适用于形状和修复轮廓不规则的产品，其不受修复产品形态的影响，适用范围广，尤其适用于涡轮叶片壁的修复。
附图说明
[0023]图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的修复过程原理图；
[0024]图2是按照本专利技术的优选实施例所构建的修复过程的结构示意图；
[0025]图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的轴热流方向成形与晶向不同夹角的单晶组织微观形貌；
[0026]图4是按照本专利技术的优选实施例1所构建的修复后单晶微观组织示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1对于材料为高温合金单晶的待修复对象，确定该待修复对象的<001>晶向；S2在待修复对象上待修复处开槽，利用金属粉末进行激光熔覆逐层填补该槽，以此实现待修复对象的修复，其中，在激光熔覆过程中，离轴热流方向垂直与所述槽中坡面内表面，且所述离轴热流方向与<001>中角度最近的晶向的夹角不超过30
°
，以此抑制修复过程中杂晶的生长。2.如权利要求1所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中需保证熔池与待修复对象基体之间稳定的温度梯度和凝固速度。3.如权利要求1所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S1中，所述高温合金单晶为镍基高温合金。4.如权利要求或2所述的一种高温合金单晶缺陷的激光熔覆修复方法，其特征在于，在步骤S2中，所述激光熔覆过程中熔覆层的温度为700℃～900℃，所述待修复对象基体温度为
‑
20℃～
‑
50℃。5.如权利要求1所述的一种高温合金单晶缺陷...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩，刘德健，陈家辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：