一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法

技术领域

本发明属于转子叶片叶尖修复技术领域，尤其涉及一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法。

背景技术

单晶叶片是现代航空发动机关键技术和部件，航空发动机一个重要指标就是涡轮前温度，这个指标越高，发动机推力也就越大，不过燃烧室出来的燃气温度高达上千度，已经超过了钢铁的熔点，在如此高温、高速、高压燃气冲击之下，高压涡轮还要高速旋转带动高压压气机，因此对于材料和工艺要求极高，单晶叶片就是高压涡轮叶片最理想的材料，所谓单晶叶片是指只有一个晶料的叶片，晶界平行应力方向，消除了空洞和裂纹，这样叶片才能抵御发动机燃气冲击，可靠性更高，因此单晶叶片已经成为现代航空发动机高压涡轮叶片主流材料。

航空发动机和地面燃气轮机被誉为现代工业的“皇冠”，是国家综合实力的重要标志之一。涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最为恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“皇冠上的明珠”。

由于燃气轮机OEM(原制造厂商)对涡轮叶片的修理技术进行垄断封锁，只能送往OEM进行修理。完全对外依赖会导致周期、成本不受控，随之带来维修周期风险(和大量外汇支出)。因此，迫切需要先进、可靠的修复技术对局部损伤的涡轮转子叶片等进行修复。

由于服役环境苛刻，单晶叶片容易受到局部损伤，包括叶尖的磨损、裂纹、烧蚀等，发展可靠的叶片修复技术对航空发动机延寿、降成本至关重要。单件单晶叶片价值30-80万元不等，针对单晶叶片的修复需要采用特殊工艺，一方面保证修复部位的性能，极易出现大角度晶界和杂晶，服役过程中容易出现裂纹。另一方面要防止叶片基体再结晶，高温性能下降，因此修复材料的选择、修复过程中的热输入控制需要严格控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法，其使用直流快频次脉冲焊机的快频次脉冲模式，降低了修复过程中的热输入，避免了组织再结晶的出现，使用的定向凝固高温合金焊丝，确保了抗拉强度与高温持久性能达到单晶DD5的85％，采用叶片榫头水冷，叶尖预热，一方面避免修复处裂纹的产生，另一方面保证组织生长方向与<001>向平行，形成定向凝固组织。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法，具体包括以下步骤：

步骤1，叶片的检查与记录：检查叶片的裂纹、磨损、烧蚀、凹坑等缺陷类型、数量、大小和位置并记录；

步骤2，叶片的尺寸检查、流量测试及称重：采用三维光学扫描仪或三坐标测量仪逐件对叶片进行扫描或检测，记录叶尖尺寸偏差；测量每件叶片、每个冷却通道流量，修理前的叶片流量满足7±1L/min要求，如不满足则需要检查气膜孔是否堵塞，堵塞则需要疏通；

步骤3，吹砂与清洗：

步骤3.1，采用60～120目石英砂或刚玉砂对单晶叶片表面进行干粉吹砂处理，去表面的积碳层及氧化膜，直至表面积碳及氧化膜全部去除，同一个部位吹砂时间不超过1min，叶片吹砂后用压缩空气清除叶片表面砂尘，检查外观；

步骤3.2，将叶片浸入3％～5％水基除油剂(质量比)的水溶液中，用超声波清洗机清洗5min～10min，随后用流动冷水冲洗干净；

步骤3.3，将清洗后的叶片置于干燥箱中烘干，烘干温度为60℃～100℃，烘干过程时间为20min～60min；

步骤4：去除叶片涂层；

步骤4.1，用毛刷将保护剂涂抹在没有涂层的叶片榫头部分；

步骤4.2，将叶片浸入加入缓蚀剂的酸性溶液，每隔10min检查叶片表面涂层脱落情况，脱落完全后使用碱性溶液中和处理，然后用流水冲洗并吹干；

步骤4.3，最后将单晶叶片置于干燥箱中烘干，温度60℃～100℃，时长30min～60min；

步骤4.4，使用丙酮去榫头除保护剂，再采用60～120目石英砂或刚玉砂对单晶叶片表面进行干粉吹砂处理；

步骤5：缺陷检查：采用3～5倍放大镜检查叶片表面并按HB/Z61进行荧光检查，标记裂纹、长度和位置；对叶尖及相邻高出盖板1mm翼型面部位出现裂纹、烧蚀等允许补焊修复，其余位置有裂纹则报废，在堆焊前对待堆焊区域进行打磨处理；

步骤6：叶尖堆焊：

步骤6.1，使用榫头水冷固定工装，其兼顾机加、检测工装，对单晶叶片榫头进行抽插式固定，且榫头水冷固定工装内流道水流量5-10L/min，叶尖处使用具有随形铜管线圈的感应加热装置进行加热，线圈距离叶尖处距离5-10mm，叶尖处的温度450～550℃(红外温控枪测温控制)；

步骤6.2，预热到温后5-10s进行氩弧焊堆焊，设备使用直流快频次脉冲焊机，钨极直径1.2mm-1.6mm，喷嘴直径8mm，焊接模式：快频次脉冲模式，快频电流20～30A，频率f＝20000Hz，主电流＝30A，持续时间0.1s，副电流10A，持续时间0.01～0.05s，氩气流量10L/min～12L/min；叶片叶尖宽度0.8～2.0mm，叶尖缺损高度1～2mm，堆焊高度3～4mm；堆焊后，先关闭水流，再将感应加热装置温度控制20℃/min降低，降低至100℃关闭感应加热装置；

步骤7，去应力退火：使用真空热处理炉，在真空度优于10Pa的条件下开始加热，加热至950-1050℃，保温1h，氩气快冷至室温；

步骤8，对叶尖堆焊处及附近区域进行无损检测，包括目视检测、X射线检测、荧光检测；如不合格即返回步骤六进行补焊，直至叶尖堆焊部位无缺陷，同一堆焊处补焊不超过3次；步骤9，叶尖型面加工：使用工装对叶片进行固定及定位，然后使用数控机床按照叶片的数模对堆焊后的叶片叶尖进行机加，叶尖两侧留0.2mm余量；机械加工后使用锉刀、油石等工具对叶尖进行抛修，最终加工后的叶尖型面应与原始翼型面部位平滑光顺；

步骤10，恢复涂层：对叶片表面进行涂层恢复，涂层厚度30-70μm；

步骤11，终检：包括目视检查、尺寸检查、称重检查、流量检查、荧光检查。

作为本发明一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法的进一步优选方案，在步骤6中，叶片材质为DD5单晶，焊丝为定向凝固高温合金，其成分：C 0.08-0.15,Cr6.00-7.50，Co 11.00-12.00，W 4.50-5.00，Mo 1.00-2.00，Al 5.00-6.00，Ta6.00-6.50，Re 2.50-3.50，Hf 1.30-1.70，B 0.01-0.02，Ni 60.00-65.00。

作为本发明一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法的进一步优选方案，Ta的作用：促进Cr溶入γ相基体中，引起晶格畸变，使得固溶体强度提高，提高了镍基高温合金抗氧化性能和高温耐蚀性，同时对抗拉强度和屈服强度；

Cr：同时与O结合形成Cr

Co：增加γ相基体中Cr、Mo、W、C的溶解度，改善晶界处碳化物形态，强化晶界，同时起到固溶强化，提高抗热腐蚀性能；

C的作用：枝晶间和晶界强化元素，形成不连续的颗粒状的碳化物，MC、M7C3、M6C、M23C6等，阻止晶界滑动；

Re的作用：对γ′相细化组织，控制含量2.5％-3.5％，提高高温合金的持久性能，过高会导致TCP相的析出，持久寿命严重降低；

Ni的作用：奥氏体相的稳定元素，与Cr、Co、Mo、Al、C、B等元素形成固溶体，同时亲O促进氧化膜形成；

W的作用：引起明显的晶格膨胀，形成长程应力场，阻止位错运动，从而提高屈服强度；

Mo的作用：与W作用基本一致，固溶强化，提高合金钝化和抗还原能力，但含量需控制2％以下，过高容易造成组织偏析；

B的作用：微合金化元素，富集在晶界处，消除有害相在晶界处析出，提高持久和蠕变性能；

Al的作用：与Ni生成γ′-Ni3Al，提高强度，同时提高抗氧化和腐蚀能力；

Hf的作用：提高高温合金高温持久塑性，消除高温缺口敏感性，增加γ′的数量，提高MC型碳化物稳定性。

作为本发明一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法的进一步优选方案，堆焊后叶尖组织均为小角度晶界，其中，相邻晶粒相位差小于10°，且无杂晶；堆焊层硬度460HV-475HV，DD5基体440HV左右，接头拉伸试样的室温性能抗拉强度达DD5基体的90％以上，为900-950MPa，高温持久性能为DD5基体的85％以上。

作为本发明一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法的进一步优选方案，在步骤6中，

榫头水冷固定工装，其兼顾机加、检测工装，为激光选区熔化成形技术打印而成，材质为GH4169，再进行榫头的榫头配合面机械加工，保证定位精度0.01mm，且内流道直径为φ6mm。

作为本发明一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法的进一步优选方案，在步骤11中，

目视检查：叶片表面不允许有磕碰、划伤；涂层表面不允许有翘皮、鼓泡、开裂等缺陷，榫头区域无涂层；逐件对叶片排气边气膜孔进行目视及探针检查，气膜孔不允许堵塞；

尺寸检查：使用检测工装，采用三坐标测量仪对修复部位叶尖型面轮廓度进行测量，偏差±0.1mm即合格；

称重检查：与新件重量偏差±5g即合格；

流量检查：主通道流量6-8L/min即合格；

荧光检查：按HB/Z61进行荧光检查，不允许裂纹、气孔、夹杂、未熔合缺陷。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明使用直流快频次脉冲焊机的快频次脉冲模式，降低了修复过程中的热输入，避免了组织再结晶的出现；

2、本发明使用的定向凝固高温合金焊丝，确保了抗拉强度与高温持久性能达到单晶DD5的85％；

3、本发明使用叶片榫头水冷与叶尖加热的方式，一方面保证了堆焊组织生长方向与<001>取向平行，消除了垂直于应力轴方向的横向晶界，同时避免了较大取向差晶粒、杂晶的形成，保证了叶片整体的抗热疲劳性能；另一方面叶尖的堆焊层处于高温状态，有效地降低了残余应力，提高了叶片使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明单晶高温合金涡轮转子叶片及水冷固定工装与加热示意图；

图2是本发明榫头水冷固定工装(兼顾机加、检测工装)示意图；

图3是本发明榫头水冷固定工装内流道示意图；

图4是本发明叶尖堆焊后形貌

图5是本发明叶尖加工后形貌示意图；

图6是本发明单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖堆焊定向凝固组织(低倍和高倍)示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1至图6所示，一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法，包括以下步骤：

步骤1：叶片的检查与记录。检查叶片的裂纹、磨损、烧蚀、凹坑等缺陷类型、数量、大小和位置并记录；

步骤2：叶片的尺寸检查、流量测试及称重。采用三维光学扫描仪逐件对叶片进行扫描，记录叶尖尺寸偏差，叶尖缺损1.8mm。测量叶片、每个冷却通道流量，修理前的叶片流量为7.7L/min；

步骤3：吹砂与清洗,采用60～120目石英砂或刚玉砂对单晶叶片表面进行干粉吹砂处理，去表面的积碳层及氧化膜，直至表面积碳及氧化膜全部去除，同一个部位吹砂时间不超过1min，叶片吹砂后用压缩空气清除叶片表面砂尘，检查外观。将叶片浸入3％～5％水基除油剂(质量比)的水溶液中，用超声波清洗机清洗5min～10min，随后用流动冷水冲洗干净。将清洗后的叶片置于干燥箱中烘干，烘干温度为60℃～100℃，烘干过程时间为20min～60min；

步骤4：去除叶片涂层。用毛刷将保护剂涂抹在没有涂层的叶片榫头部分；将叶片浸入加入缓蚀剂的酸性溶液，每隔10min检查叶片表面涂层脱落情况，脱落完全后使用碱性溶液中和处理，然后用流水冲洗并吹干；最后将单晶叶片置于干燥箱中烘干，温度60℃～100℃，时长30min～60min；使用丙酮去榫头除保护剂，再采用60～120目石英砂或刚玉砂对单晶叶片表面进行干粉吹砂处理；

步骤5：缺陷检查。采用3～5倍放大镜检查叶片表面并按HB/Z61进行荧光检查，标记裂纹、长度和位置。对叶尖及相邻高出盖板1mm翼型面部位出现裂纹、烧蚀等允许堆焊修复，其余位置有裂纹则报废，在堆焊前对待堆焊区域进行打磨处理；

步骤6：叶尖堆焊。采用图1所示的装置对燃机单晶叶片榫头进行抽插式固定，且榫头水冷固定工装内流道水流量5-10L/min，叶尖处使用具有随形铜管线圈的感应加热装置进行加热，线圈距离叶尖处距离5-10mm，叶尖处的温度450～550℃(红外温控枪测温控制)；预热到温后5-10s进行氩弧焊堆焊，设备使用直流快频次脉冲焊机，钨极直径1.2mm-1.6mm，喷嘴直径8mm，焊接模式：快频次脉冲模式，快频电流20～30A，频率f＝20000Hz，主电流＝30A，持续时间0.1s，副电流10A，持续时间0.01～0.05s，氩气流量10L/min～12L/min。叶片叶尖宽度0.8～2.0mm，叶尖缺损高度1.8mm，堆焊高度3.5mm。堆焊后，先关闭水流，再将感应加热装置温度控制20℃/min降低，降低至100℃关闭感应加热装置；

如图6所示，叶片材质为DD5单晶，焊丝为定向凝固高温合金，其成分：C 0.10％,Cr6.50％，Co 11.00％，W 5.00％，Mo 1.50％，Al 5.20％，Ta 6.48％，Re 2.8％，Hf 1.5％，B0.01％，Ni 60.91％。

堆焊后叶尖组织如图5所示，组织均为小角度晶界(相邻晶粒相位差小于10°)，且无杂晶。堆焊层硬度470HV左右，DD5基体440HV，接头拉伸试样的室温性能抗拉强度达DD5基体的92％，为920MPa，高温持久性能为DD5基体的87％。

步骤7：去应力退火。使用真空热处理炉，在真空度优于10Pa的条件下开始加热，加热至1000℃±10℃，保温1h，氩气快冷至室温；

步骤8：对叶尖堆焊处及附近区域进行无损检测，包括目视检测、X射线检测、荧光检测。如不合格即返回步骤六进行补焊，直至叶尖堆焊部位无缺陷，同一堆焊处补焊不超过3次；目视检测：无缺肉、裂纹、气孔等缺陷；X射线检测：按照HB/Z60不允许存在裂纹、夹杂、未熔合等缺陷；按HB/Z61进行荧光检查，不允许裂纹、气孔、夹杂、未熔合等缺陷。

步骤9：叶尖型面加工。使用图2所示的工装对叶片进行固定及定位，然后使用数控机床按照叶片的数模对堆焊后的叶片叶尖进行机加，叶尖两侧留0.2mm余量。机械加工后使用锉刀、油石等工具对叶尖进行抛修，最终加工后的叶尖型面应与原始翼型面部位平滑光顺；

步骤10：恢复涂层。对叶片表面进行涂层恢复，涂层厚度30-50μm；

步骤11：终检。包括目视检查、尺寸检查、称重检查、流量检查、荧光检查。

目视检查：叶片表面不允许有磕碰、划伤；涂层表面不允许有翘皮、鼓泡、开裂等缺陷，榫头区域无涂层；逐件对叶片排气边气膜孔进行目视及探针检查，气膜孔不允许堵塞；

尺寸检查：使用图2检测工装，然后采用三坐标测量仪对修复部位叶尖型面轮廓度进行测量，偏差±0.06mm即合格；

称重检查：与新件重量偏差1.5g为合格；

流量检查：主通道流量7.5L/min为合格；

荧光检查：按HB/Z61进行荧光检查，无裂纹、气孔、夹杂、未熔合等缺陷。

步骤12：包装发货。

实施例二

一种燃机单晶高温合金涡轮转子叶片叶尖修复方法，包括以下步骤：

步骤1：叶片的检查与记录。检查叶片的裂纹、磨损、烧蚀、凹坑等缺陷类型、数量、大小和位置并记录；

步骤2：叶片的尺寸检查、流量测试及称重。采用三坐标测量仪对叶片进行扫描或检测，记录叶尖尺寸偏差，叶尖缺损高度约1.4mm。测量叶片、每个冷却通道流量，修理前的叶片流量满足7.1L/min；

步骤3：吹砂与清洗,采用60～120目石英砂或刚玉砂对单晶叶片表面进行干粉吹砂处理，去表面的积碳层及氧化膜，直至表面积碳及氧化膜全部去除，同一个部位吹砂时间不超过1min，叶片吹砂后用压缩空气清除叶片表面砂尘，检查外观。将叶片浸入3％～5％水基除油剂(质量比)的水溶液中，用超声波清洗机清洗5min～10min，随后用流动冷水冲洗干净。将清洗后的叶片置于干燥箱中烘干，烘干温度为60℃～100℃，烘干过程时间为20min～60min；

步骤4：去除叶片涂层。用毛刷将保护剂涂抹在没有涂层的叶片榫头部分；将叶片浸入加入缓蚀剂的酸性溶液，每隔10min检查叶片表面涂层脱落情况，脱落完全后使用碱性溶液中和处理，然后用流水冲洗并吹干；最后将单晶叶片置于干燥箱中烘干，温度60℃～100℃，时长30min～60min；使用丙酮去榫头除保护剂，再采用60～120目石英砂或刚玉砂对单晶叶片表面进行干粉吹砂处理；

步骤5：缺陷检查。采用3～5倍放大镜检查叶片表面并按HB/Z61进行荧光检查，标记裂纹、长度和位置。对叶尖及相邻高出盖板1mm翼型面部位出现裂纹、烧蚀等允许补焊修复，其余位置有裂纹则报废，在堆焊前对叶尖待堆焊区域进行打磨处理；

步骤6：叶尖堆焊。采用图1所示的装置对燃机单晶叶片榫头进行抽插式固定，且榫头水冷固定工装内流道水流量5-10L/min，叶尖处使用具有随形铜管线圈的感应加热装置进行加热，线圈距离叶尖处距离5-10mm，叶尖处的温度450～550℃(红外温控枪测温控制)；预热到温后5-10s进行氩弧焊堆焊，设备使用直流快频次脉冲焊机，钨极直径1.2mm-1.6mm，喷嘴直径8mm，焊接模式：快频次脉冲模式，快频电流20～30A，频率f＝20000Hz，主电流＝30A，持续时间0.1s，副电流10A，持续时间0.01～0.05s，氩气流量10L/min～12L/min。堆焊高度3.0mm。堆焊后，先关闭水流，再将感应加热装置温度控制20℃/min降低，降低至100℃关闭感应加热装置；

其中叶片材质为DD5单晶，焊丝为定向凝固高温合金，其成分：C 0.12％,Cr6.30％，Co11.50％，W 4.50％，Mo 1.50％，Al 5.20％，Ta 6.48％，Re 3.2％，Hf 1.3％，B0.01％，Ni60.71％。

堆焊后叶尖组织如图5所示，组织均为小角度晶界(相邻晶粒相位差小于10°)，且无杂晶。堆焊层硬度465HV左右，DD5基体440HV，接头拉伸试样的室温性能抗拉强度达DD5基体的91％，为910MPa，高温持久性能为DD5基体的86％。

步骤7：去应力退火。使用真空热处理炉，在真空度优于10Pa的条件下开始加热，加热至1020℃±10℃，保温1h，氩气快冷至室温；

步骤8：对叶尖堆焊处及附近区域进行无损检测，包括目视检测、X射线检测、荧光检测。如不合格即返回步骤六进行补焊，直至叶尖堆焊部位无缺陷，同一堆焊处补焊不超过3次；目视检测：无缺肉、裂纹、气孔等缺陷；X射线检测：按照HB/Z60不允许存在裂纹、夹杂、未熔合等缺陷；按HB/Z61进行荧光检查，无裂纹、气孔、夹杂、未熔合等缺陷。

步骤9：叶尖型面加工。使用图2所示的工装对叶片进行固定及定位，然后使用数控机床按照叶片的数模对堆焊后的叶片叶尖进行机加，叶尖两侧留0.2mm余量。机械加工后使用锉刀、油石等工具对叶尖进行抛修，最终加工后的叶尖型面应与原始翼型面部位平滑光顺；

步骤10：恢复涂层。对叶片表面进行涂层恢复，涂层厚度30-70μm；

步骤11：终检。包括目视检查、尺寸检查、称重检查、流量检查、荧光检查。

目视检查：叶片表面不允许有磕碰、划伤；涂层表面不允许有翘皮、鼓泡、开裂等缺陷，榫头区域无涂层；逐件对叶片排气边气膜孔进行目视及探针检查，气膜孔不允许堵塞；

尺寸检查：使用图2检测工装，然后采用三坐标测量仪对修复部位叶尖型面轮廓度进行测量，偏差±0.05mm合格；

称重检查：与新件重量偏差1.2g为合格；

流量检查：主通道流量7.2L/min为合格；

荧光检查：按HB/Z61进行荧光检查，无裂纹、气孔、夹杂、未熔合等缺陷。

步骤12：包装发货。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。