一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法与流程

1.本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法。


背景技术：

2.传统的涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的方法通常包括：激光熔覆粉末堆焊、等离子电弧堆焊、tig堆焊、钎焊和hvof等，其中，激光熔覆粉末堆焊、等离子电弧堆焊和hvof所采用的沉积材料为粉材，tig堆焊选用丝材作为材料进行沉积，而钎焊则是将提前制备的高温耐磨层通过钎焊的方式直接与叶冠表面进行焊接；而无论是通过粉材、丝材还是钎焊的方式对高温耐磨层进行制备都存在各自的优缺点，制备方法的不同对沉积层的材料性状及力学性能都有着不同的影响。
3.涡轮叶片作为航空发动机的关键部件，为了消除高温耐磨层制备过程中所存在的诸多问题，提高沉积层的各项性能。国内外各高校及科研院所对涡轮发动机叶片叶冠表面高温耐磨层的制备进行了多方的探索和优化，但各加工方法由于其方法的特殊性都有着其不可替代的优点，但也存在不可避免的局限性。
4.由于钴基高温合金具有硬度高、耐磨性好、可加工性差等特点，钎焊作为最早制备涡轮发动机叶片叶冠表面高温耐磨层的方法，其具有高温耐磨层力学性能高、制备方法简单及热输入小对叶片晶向影响小等优点；但采用钎焊作为制备叶片叶冠表面高温耐磨层的方法又存在表面结合性差的先天性缺陷，极易造成高温耐磨层的脱落；
5.hvof提供的热量输入也较小，且不存在高温氧化、气化、熔化、晶化等影响，但由于其使用粉材作为高温耐磨层的沉积材料，在沉积过程中粉材通过物理方式进行结合，沉积层中常伴随着气孔、裂纹、致密性差等缺陷，在涡轮叶片工作过程中，易造成高温耐磨层块状脱落的事故，同样难以满足涡轮发动机叶片对其高温耐磨性的要求；激光熔覆粉末堆焊与等离子电弧堆焊技术的出现，虽然都有效解决了hvof技术中存在的材料结合性差的问题；但由于所使用的沉积材料依然为粉材，气孔、裂纹、致密性差、未熔合等缺陷依然存在。
6.tig堆焊作为现阶段常用的一种高温耐磨层的制备方法，其使用的沉积材料丝材作为沉积材料有效避免了粉材进行沉积时存在的气孔及致密性差等问题，但采用tig作为熔积能量源，热输入量的增加导致了界面厚度变厚极易产生液化裂纹；同时由于钴基合金丝材脆性大导致丝材无法弯曲，国内外还未找到可用于工业机器人自动化生产的“盘状”丝材，通过tig堆焊的方式制备高温耐磨层通常采用手工钨极氩弧焊。这极大的降低了加工制造的效率，高温耐磨层的沉积质量也很难保证，导致废品率增加。
7.作为涡轮发动机的重要工作部件，涡轮叶片的工作寿命对涡轮发动机工作的可靠性、安全性及使用寿命都起到了至关重要的影响。找到一种制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的制备方法，制备出力学性能更好，与涡轮叶片叶冠表面结合性更强的高温耐磨层成为提高涡轮叶片工作寿命的重要因素之一。


技术实现要素：

8.本发明提供提供一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，解决了上述的技术问题。
9.为解决上述技术问题，本发明提供的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，包括工业机器人、熔积能量源、沉积材料、特种变频送丝系统和柔性卡具，所述特种变频送丝系统通过所述柔性卡具与熔积能量源同步移动，利用工业机器人通过激光熔化丝材的方式在涡轮叶片叶冠表面上熔覆高温耐磨层，避免凹r处出现未熔合及尾部尖端塌陷的情况。
10.优选的，所述溶剂能量源选用激光，激光光斑直径：φ3.47mm～φ6.00mm，激光功率：800～3600w，所述方法所用到的丝材选用pmet980焊丝，焊丝直径：φ1.2mm～φ2.0mm，保护气体流量：10l/min～20l/min，熔覆速度：0.003m/s～0.010m/s，主要沉积材料选用丝材进行激光熔积成形，在所述丝材熔化过程中通过控制单位时间内的送丝量及工业机器人的移动速度来控制高温耐磨层的沉积层层高，根据涡轮叶片叶冠宽度，通过调熔积能量源的激光光斑直径或工业机器人的加工路径保证涡轮叶片叶冠表面沉积层的宽度。
11.优选的，所述工业机器人控制激光熔丝沉积工艺的加工轨迹；针对不同涡轮叶片叶冠宽度，其熔覆轨迹包括了：(1)工业机器人匀速运动，(2)工业机器人变速运动，(3)工业机器人摆动运动。
12.优选的，所述方法利用工业机器人通过激光熔化丝材的方法实现涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的自动化激光熔覆，操作步骤如下：
13.步骤(1)、首先将涡轮叶片装夹在专用紫铜卡具上，保证叶冠侧平面于水平面的夹角：-2
°
＜α＜+2
°
；
14.步骤(2)、然后根据高温耐磨层层高要求，选用上述直径为φ1.2mm～φ2.0mm的焊丝作为高温耐磨层的沉积材料；
15.步骤(3)、最后根据不同型号涡轮叶片叶冠宽度的不同，选用不同的激光熔丝沉积的加工轨迹结合熔积能量源激光功率，确保高温耐磨层达到预定的层高及宽度，保证高温耐磨层的沉积质量。
16.优选的，对激光熔覆前的待加工表面及激光熔覆后的沉积层进行处理的步骤如下：
17.步骤(1)、激光熔覆前叶冠表面需进行机械加工处理，保证待加工表面的平整性，并用丙酮或95％的无水酒精对表面进行清理，去除氧化物、油污等影响高温耐磨层沉积质量的污垢；
18.步骤(2)、激光熔覆后需对沉积层的表面及侧面通过机械打磨的方式进行整型，以达到涡轮叶片叶冠处设计尺寸精度要求；
19.步骤(3)、并用丙酮或95％的无水酒精对整型后的高温耐磨层的表面及周边进行清理，去除氧化物、油污及加工碎屑。
20.优选的，当激光光斑直径增大，激光能量影响的范围变大，激光能量分散且能量密度降低，单位面积熔积能量降低；当激光光斑直径增大时，激光功率也应随之提高，当涡轮叶片叶冠宽度超出激光光斑有效范围φ3.47mm～φ6.00mm时，通过控制工业机器人加工路径的方式实现对涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的沉积。
21.优选的，所述工业机器人采用多道搭接、三角形摆动和梯形摆动等加工路径对涡轮叶片叶冠表面的高温耐磨层进行沉积，其中摆动频率为1hz～16hz。
22.与相关技术相比较，本发明提供的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法具有如下有益效果：
23.本发明提供一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，选用激光作为熔积能量源对基材的热影响区小；选用丝材作为沉积材料沉积层力学性能高；通过自研的特种变频送丝系统实现了钴基高温合金耐磨层的自动化生产；采用自动化加工沉积层一致性好。
24.本发明提供一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，通过对沉积层及基体的检测结果表明，本发明所述方法在沉积层的一致性，高温耐磨层于基体的结合性，基体的热影响区性能，高温耐磨层的力学性能等方面均得到了提高；整体性能的提升对涡轮发动机叶片工作寿命的提升起到了积极的作用。
具体实施方式
25.本发明提供了一种激光熔丝沉积工艺制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的方法，所述适用于涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的制备。所述方法采用工业机器人实现沉积层轨迹规划；选用激光器作为熔化沉积材料的熔积能量源；并通过柔性卡具将熔积能量源与特种变频送丝系统连接到工业机器人末端，通过工业机器人的移动实现激光器与特种变频送丝系统的同步移动；并通过自研的特种变频送丝系统实现沉积丝材的自动上下料及干身长调整。所述沉积材料选用pmet980焊丝作为沉积材料；选用ar气体作为保护气体，保护气体流量控制在10l/min～20l/min。
26.本实施方案中，首先要通过机械加工的方式对涡轮叶片叶冠表面进行焊前处理，保证待加工表面的平整性，并用丙酮或95％的无水酒精对表面进行清理，去除氧化物、油污等影响高温耐磨层沉积质量的污垢；将处理后的叶片装夹在专用紫铜卡具上，保证叶冠侧平面于水平面的夹角：-2
°
＜α＜+2
°
；
27.本实施方案中，在高温耐磨层的沉积阶段，首先根据工艺设计的涡轮发动机叶片叶冠表面宽度及高温耐磨层层高要求，选择直径在φ1.2mm～φ2.0mm范围内的焊丝作为高温耐磨层的沉积材料，焊丝的选取原则上焊丝的直径φ＜0.6s，焊丝直径过大会影响激光对基体的辐照，导致沉积层中气孔、未熔合、液化裂纹等缺陷的出现；然后根据涡轮叶片叶冠的宽度、高温耐磨层的层高及界面厚度的要求，确定激光光斑直径及工业机器人加工轨迹；最后根据不同直径丝材熔化所需的热输入及激光光斑直径，调整熔积能量源的激光功率，并将激光的功率控制在800w～3600w范围内。避免气孔、裂纹、未熔合及等缺陷的出现，减少基体的热影响区面积，降低基体内部cet转变；减弱界面内元素的扩散。
28.本实施方案中，在焊后处理阶段，对沉积层的表面及侧面通过机械打磨的方式进行整型，以达到涡轮叶片叶冠处设计尺寸精度要求；并通过丙酮或95％的无水酒精对整型后的高温耐磨层的表面及周边进行清理，去除氧化物、油污及加工碎屑。
29.实施例1一种激光熔丝沉积工艺制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的方法
30.本实施方案中，激光光斑有效直径为φ3.47mm～φ6.00mm；当叶冠宽度s＜3mm时，叶冠宽度处在激光光斑有效加工直径范围内，选用焊丝直径φ1.2mm～φ1.6mm、激光功率
800w～1600w、工业机器人移动速度0.005m/s～0.008m/s作为涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层激光熔丝沉积的主要工艺参数；利用激光离焦量小，激光能量密度集中的特点，采用较细的焊丝、较小的激光功率及较快的机器人移动速度进行沉积，可有效减少大热输入量对基材造成的热影响区的范围，获得边界清晰且厚度较薄的界面层；
31.实施例2一种激光熔丝沉积工艺制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的方法
32.本实施方案中，激光光斑有效直径为φ3.47mm～φ6.00mm；当叶冠宽度3mm≤s≤4mm时，由于叶冠宽度处在激光光斑有效范围的临界范围，叶冠表面高温耐磨层的沉积可通过三种加工路径进行沉积：单道成形、多道搭接成形、摆动成形；根据加工路径得不同，工艺参数及丝材的选择上也有所不同。
33.采用单道成形，选用φ1.6mm～φ2.0mm的焊丝、激光功率2400w～3600w、工业机器人移动速度0.003m/s～0.005m/s作为涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层激光熔丝沉积的主要工艺参数；选用直径较大焊丝可提高单位面积沉积层宽度和层高，避免出现沉积层润湿角过大和激光长时间辐照对基材热影响区的影响；但较大离焦量和大直径光斑却导致了激光能量分散、能量密度降低，单位面积熔积能量降低，大直径的焊丝亦需要更多的能量将其熔化。通过增大激光功率弥补单位面积内的熔积能量，并通过降低工业机器人的移动速度，在单位时间内为丝材和基材提供更多的热量输入，以保证沉积层与基体间的熔合性避免未熔合情况的出现；
34.采用多道搭接成形，选用φ1.2mm～φ1.6mm的焊丝、激光功率800w～2400w、工业机器人移动速度0.005m/s～0.01m/s、搭接率40％～70％作为涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层激光熔丝沉积的主要工艺参数；多道搭接成形由多条单道沉积层搭接叠加成形。根据叶冠宽度不同，单道沉积层宽度、搭接道数、搭接率均有所不同，这就需要更宽的工艺参数窗口对单道的激光熔丝沉积的成形工艺进行控制；
35.采用摆动成形，选用φ1.2mm～φ1.6mm的焊丝、激光功率800w～1600w、工业机器人移动速度0.003m/s～0.008m/s、摆动频率1hz～16hz作为涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层激光熔丝沉积的主要工艺参数；摆动成形利用工业机器人采用三角形摆动和梯形摆动的加工路径对涡轮叶片叶冠表面的高温耐磨层进行沉积，通过控制三角波和梯形波的振幅来调整沉积层的宽度，同时通过控制摆长来调整沉积层的成形质量。摆长设置过长会导致沉积层在水平方向上间隙过大，而摆长设置过短则会出现沉积层表面高低不平的情况，极易导致未熔合、液化裂纹等情况的发生；摆动频率作为摆动成形中一个重要的加工轨迹参数，直接影响着单位时间熔积能量源对丝材和基材的热输入量；在摆动成形过程中对沉积层的成形质量和基材的熔合性起到了决定性的因素；
36.实施例3一种激光熔丝沉积工艺制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的方法
37.本实施方案中，激光光斑有效直径为φ3.47mm～φ6.00mm；当叶冠宽度4＜s＜8mm时，在对涡轮叶片叶冠表面的高温耐磨层制备中，由于叶冠宽度已超出激光光斑有效范围，实施例2中的单道成形方法已无法满足高温耐磨层的制备，但通过多道搭接成形和摆动成形，仍是制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层可靠有效的手段；
38.实施例4一种激光熔丝沉积工艺制备涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的方法
39.本实施方案中，激光光斑有效直径为φ3.47mm～φ6.00mm；当叶冠宽度s＞8mm时，由于摆动成形为一次加工成形的制造方式，其特有的摆动加工方式在沉积路径较短时，其
对基材的热影响区面积、界面厚度及界面力学性能都有很大的提升；但随着沉积路径变长热输入量的持续增加，便会造成基材热影响区面积的变大，界面厚度变大、界面内元素的扩散增加，液化裂纹及再热裂纹的出现，界面力学性能下降等情况的发生。而多道搭接成形是由多条单道沉积层通过搭接叠加的方式进行成形，在沉积过程中通过控制道与道之间的层间温度，减少由于热积累所导致的高温耐磨层的性能下降；
40.本实施方案中，对高温耐磨层沉积过程中出现的凹r处未熔合及尾部尖端塌陷的处理上，将高温耐磨层的沉积过程分为三个阶段进行处理：凹r处的沉积，叶冠表面的沉积，尾部尖端的沉积；通过对不同阶段工业机器人的移动速度和熔积能量源的激光功率的分段控制，对高温耐磨层进行变速变功率沉积。
41.在高温耐磨层变速变功率的沉积过程中，以叶冠表面的工艺参数作为基准参数，在凹r处，由于初始沉积温度较低，通过工业机器人停留/慢速移动+高激光功率的方式；使得始端凹r处丝材及基材能获得更多的热输入，提高丝材熔滴温度，提升丝材与基材的热交换温度，以保证凹r处丝材与基材的熔合及成形质量，其中工业机器人的移动速度为基准移动速度的30％～70％，激光功率为基准功率的120％～200％。在尾部尖端处通过，由于持续的热输入导致的热积累基材温度较高，通过提高机器人的移动速度+减小激光功率的方式；减少单位时间内基材的热输入量，避免尾部尖端由于热输入过大导致塌陷情况的发生，其中工业机器人的移动速度为基准移动速度的120％～200％，激光功率为基准功率的40％～80％。

技术特征：
1.一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，包括工业机器人、熔积能量源、沉积材料、特种变频送丝系统和柔性卡具，其特征在于：所述特种变频送丝系统通过所述柔性卡具与熔积能量源同步移动，利用工业机器人通过激光熔化丝材的方式在涡轮叶片叶冠表面上熔覆高温耐磨层，避免凹r处出现未熔合及尾部尖端塌陷的情况。2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，其特征在于，所述溶剂能量源选用激光，激光光斑直径：φ3.47mm～φ6.00mm，激光功率：800～3600w，所述方法所用到的丝材选用pmet980焊丝，焊丝直径：φ1.2mm～φ2.0mm，保护气体流量：10l/min～20l/min，熔覆速度：0.003m/s～0.010m/s，主要沉积材料选用丝材进行激光熔积成形，在所述丝材熔化过程中通过控制单位时间内的送丝量及工业机器人的移动速度来控制高温耐磨层的沉积层层高，根据涡轮叶片叶冠宽度，通过调熔积能量源的激光光斑直径或工业机器人的加工路径保证涡轮叶片叶冠表面沉积层的宽度。3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，其特征在于，所述工业机器人控制激光熔丝沉积工艺的加工轨迹；针对不同涡轮叶片叶冠宽度，其熔覆轨迹包括了：(1)工业机器人匀速运动，(2)工业机器人变速运动，(3)工业机器人摆动运动。4.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，其特征在于，所述方法利用工业机器人通过激光熔化丝材的方法实现涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的自动化激光熔覆，操作步骤如下：步骤(1)、首先将涡轮叶片装夹在专用紫铜卡具上，保证叶冠侧平面于水平面的夹角：-2
°
＜α＜+2
°
；步骤(2)、然后根据高温耐磨层层高要求，选用上述直径为φ1.2mm～φ2.0mm的焊丝作为高温耐磨层的沉积材料；步骤(3)、最后根据不同型号涡轮叶片叶冠宽度的不同，选用不同的激光熔丝沉积的加工轨迹结合熔积能量源激光功率，确保高温耐磨层达到预定的层高及宽度，保证高温耐磨层的沉积质量。5.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，其特征在于，对激光熔覆前的待加工表面及激光熔覆后的沉积层进行处理的步骤如下：步骤(1)、激光熔覆前叶冠表面需进行机械加工处理，保证待加工表面的平整性，并用丙酮或95％的无水酒精对表面进行清理，去除氧化物、油污等影响高温耐磨层沉积质量的污垢；步骤(2)、激光熔覆后需对沉积层的表面及侧面通过机械打磨的方式进行整型，以达到涡轮叶片叶冠处设计尺寸精度要求；步骤(3)、并用丙酮或95％的无水酒精对整型后的高温耐磨层的表面及周边进行清理，去除氧化物、油污及加工碎屑。6.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，其特征在于，当激光光斑直径增大，激光能量影响的范围变大，激光能量分散且能量密度降低，单位面积熔积能量降低；当激光光斑直径增大时，激光功率也应随之提高，当涡轮叶片叶冠宽度超出激光光斑有效范围φ3.47mm～φ6.00mm时，通过控制工业机器人加工路径的方式实现对涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层的沉积。
7.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，其特征在于，所述工业机器人采用多道搭接、三角形摆动和梯形摆动等加工路径对涡轮叶片叶冠表面的高温耐磨层进行沉积，其中摆动频率为1hz～16hz。

技术总结
本发明公开了一种涡轮叶片的叶冠表面高温耐磨层的制备方法，涉及增材制造技术领域。选用的装置包括工业机器人、激光器、柔性卡具、特种变频送丝系统，特种变频送丝系统通过柔性卡具连接于激光器末端与激光器同步移动。本发明通过激光熔丝沉积的方式对涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层进行制造，减少热输入量，控制界面间元素交换，降低界面厚度，细化晶粒，抑制气孔、裂纹、未熔合等缺陷。提高叶冠表面高温耐磨层的成形质量及性能，特别适合通过工业机器人对涡轮叶片叶冠表面高温耐磨层进行高效的表面熔覆及增材制造。面熔覆及增材制造。


技术研发人员：潘云龙 徐勇 王跃 李海超
受保护的技术使用者：哈尔滨阿尔特机器人技术有限公司
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8