一種激光修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置和冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光修復(fù)以及材料微觀組織生長(zhǎng)控制領(lǐng)域，且特別涉及一種修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置和冷卻方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代航空工業(yè)中起著舉足重要的作用。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)直接決定著飛機(jī)的飛行性能。近幾十年來，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與航空材料，特別是耐高溫材料的發(fā)展息息相關(guān)。目前鎳基單晶合金已經(jīng)被廣泛地用作航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪葉片的材料。鎳基單晶高溫合金以其優(yōu)異的高溫抗蠕變、抗疲勞性能使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度從最初的850°C增加到現(xiàn)在的超過1600°C。單晶渦輪葉片在高溫、高壓、循環(huán)應(yīng)力載荷的的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)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(huì)降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)損毀。鎳基單晶高溫合金材料價(jià)格昂貴，單晶渦輪葉片制造工藝復(fù)雜，失敗率高。這些因素導(dǎo)致每片單晶渦輪葉片的價(jià)格可達(dá)3萬美元。通過修復(fù)技術(shù)延長(zhǎng)單晶渦輪葉片的使用壽命可以降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約昂貴的材料，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]目前常見的葉片修復(fù)方法包括弧焊和激光熔覆。修復(fù)工藝步驟主要包括:葉片清洗、葉片尖端檢測(cè)、裂紋清洗和打磨、弧焊或者激光熔覆修補(bǔ)、機(jī)加工余量和檢測(cè)。在修補(bǔ)這一環(huán)節(jié)中，弧焊熱源能量密度低，熱輸入大、會(huì)造成較大的熱影響區(qū)。針對(duì)單晶渦輪葉片的薄壁葉尖結(jié)構(gòu)，弧焊技術(shù)難以凈成型修補(bǔ)出新的葉尖，并保證修補(bǔ)的葉尖內(nèi)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(yōu)點(diǎn)，可以凈成型在葉尖上修補(bǔ)出葉尖。因此激光熔覆技術(shù)是目前最理想的單晶渦輪葉片修復(fù)技術(shù)。
[0004]鎳基單晶高溫合金的晶格是面心立方，具有外延生長(zhǎng)特性(在一定溫度梯度下，微觀組織可沿著某個(gè)晶向一直生長(zhǎng))。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(shí)，隨著熔池的凝固，微觀組織將以單晶葉片葉尖的晶向?yàn)橥庋由L(zhǎng)方向進(jìn)行生長(zhǎng)。受熔池形狀和溫度梯度的影響，當(dāng)單晶組織生長(zhǎng)到一定高度時(shí)，等軸晶組織會(huì)出現(xiàn)并阻止單晶組織繼續(xù)生長(zhǎng)。激光多層熔覆過程中，等軸晶組織會(huì)阻斷單晶組織進(jìn)一步向上連續(xù)生長(zhǎng)，并且等軸晶與單晶組織之間產(chǎn)生晶界。由于鎳基單晶高溫合金缺少晶界強(qiáng)化元素。一旦出現(xiàn)晶界，在較大的熱應(yīng)力下，晶界處極易出現(xiàn)裂紋并沿著晶界擴(kuò)展延伸，直接影響修復(fù)后葉片的性能，難以滿足單晶葉片的修復(fù)要求。因此在多層甚至多層多道激光熔覆修復(fù)葉片的葉尖過程中，完全重熔掉等軸晶組織是保證修復(fù)區(qū)域內(nèi)得到全部單晶組織的關(guān)鍵。
[0005]單晶組織的分布直接與熔池形狀和溫度梯度相關(guān)，平緩的熔池和較大的溫度梯度有利于單晶組織的生長(zhǎng)。激光修復(fù)單晶渦輪葉片尖端時(shí)，受限于葉片尖端的薄壁形狀，熔覆區(qū)域內(nèi)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(duì)于激光修復(fù)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(qiáng)單晶組織的外延生長(zhǎng)，從而減少等軸晶組織，從而實(shí)現(xiàn)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(fù)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種激光修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置和冷卻方法，通過調(diào)節(jié)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(fù)單晶渦輪葉片過程中達(dá)到最好的主動(dòng)冷卻效果。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出一種激光修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置，包括:空氣壓縮機(jī)，換熱器和環(huán)形冷卻裝置，其中所述空氣壓縮機(jī)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(huán)形冷卻裝置，所述環(huán)形冷卻裝置設(shè)置于激光熔覆系統(tǒng)的工作臺(tái)上方并環(huán)繞工件設(shè)置。
[0008]進(jìn)一步的，所述待冷卻氣體為氬氣、氮?dú)饣蚩諝狻?br>[0009]進(jìn)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(jìn)一步的，所述高速高壓氣流的氣壓為5兆帕至10兆帕。
[0011]進(jìn)一步的，所述換熱器冷卻物質(zhì)為液氮，其將接入氣流冷卻到-30°C至_50°C。
[0012]進(jìn)一步的，所述環(huán)形冷卻裝置的內(nèi)表面設(shè)置有密排小孔。
[0013]進(jìn)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(dá)到上述目的，本發(fā)明還提出一種激光修復(fù)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(jīng)過空氣壓縮機(jī)后形成高速高壓氣流；
[0016]將高速高壓氣流接入換熱器，經(jīng)過換熱器內(nèi)回形管路進(jìn)行熱交換，將接入氣流冷卻后接入環(huán)形冷卻裝置；
[0017]將冷卻氣流通過環(huán)形冷卻裝置內(nèi)表面的密排小孔斜向下噴出，在工件周圍形成一個(gè)均勻環(huán)形冷卻流場(chǎng)。
[0018]進(jìn)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(jìn)一步的，所述換熱器冷卻物質(zhì)為液氮，其將接入氣流冷卻到_30°C至_50°C。
[0020]進(jìn)一步的，所述環(huán)形冷卻裝置內(nèi)表面密排小孔斜向下角度為10°至80°噴出冷卻氣流。
[0021 ]本發(fā)明提出一種激光修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置和冷卻方法，通過主動(dòng)冷卻熔覆周圍區(qū)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(qiáng)單晶組織的外延生長(zhǎng)能力，減小等軸晶的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)單晶組織在多層熔覆過程中的連續(xù)生長(zhǎng)，從而滿足單晶葉片葉尖磨損的接長(zhǎng)修復(fù)要求。
【附圖說明】
[0022]圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖2所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的環(huán)形冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖3所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻方法流程圖。
[0025]圖4所示為修復(fù)后的單晶葉片內(nèi)細(xì)密連續(xù)的單晶組織結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]以下結(jié)合附圖給出本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明不限于以下的實(shí)施方式。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0027]請(qǐng)參考圖1，圖1所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的激光修復(fù)單晶渦輪葉片的主動(dòng)冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明提出一種激光修復(fù)單晶渦輪葉片的主