一种单晶涡轮叶片尖端损伤激光修复方法

1.本发明涉及增材制造修复领域，尤其涉及一种单晶涡轮叶片尖端损伤激光修复方法。


背景技术：

2.涡轮叶片作为发动机的重要零部件之一，数量众多且长期在高温、高转速、载荷状况复杂的恶劣环境中工作，在长期服役过程中不可避免地会出现各种损伤的情况。由于高昂的造价和严苛的性能要求，直接更换受损不严重的涡轮叶片的时间成本和经济成本过高，有必要对服役前的不合格叶片和服役后的受损叶片进行修复。
3.激光选区熔化(selective laser melting,slm)是一种比较成熟的激光金属增材制造技术，具有能量密度高、光斑小、热输入较小的特点和尺寸精度高、表面粗糙度低的优势，在成型和修复零件过程中对零件形状的热影响较小，有利于成型和修复结构精细、复杂的零部件，且成型件具有良好的致密性和机械性能。
4.此外，slm技术具有多个可调整的工艺参数，可以根据性能的需求对成型件内部微观组织进行调控。因此，利用slm技术成型和修复零部件可以摆脱加工条件的限制，以功能、性能为导向实现零部件的加工制造。
5.目前，已经有slm技术应用于叶片尖端损伤修复的成功案例的相关报道，能够实现形状结构复杂叶片尖端的高精度修复。但是slm技术固有的高温度梯度所导致的高冷却速度在成型镍基合金时容易导致孔隙、裂纹和成分偏析。同时制造镍基单晶涡轮叶片一般采用的铸造材料并不适用于slm工艺，故采用的修复材料是与修复基体在成分上有所差异的异质材料。
6.所以slm修复的叶片组织和性能通常并不能满足严苛的使用要求，需要通过后处理改善和恢复其微观组织和机械性能。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种单晶涡轮叶片尖端损伤激光修复方法。本发明首先通过对受损叶片的三维扫描逆向建模获取需要修复的模型并生成修复模型的切片数据，对受损叶片进行机加工以去除受损的部分并获得适合slm工艺的加工平面，根据生成的切片数据通过slm工艺进行增材修复，修复后进行热等静压(hip)处理，以抑制修复部分的缺陷，改善修复部分的微观组织，促进修复叶片整体性能的一致性和均匀化，最终实现受损叶片的形状和性能修复。
8.本发明通过下述技术方案实现：
9.一种单晶涡轮叶片尖端损伤激光修复方法，包括如下步骤：
10.步骤一：通过三维扫描仪，对受损叶片进行扫描，以获取受损叶片模型(stl格式)；截取受损叶片模型中的损伤部分进行逆向建模，使所建模型与损伤部分模型切合；然后，对通过逆向建模得到的修复模型进行切片，得到在slm修复过程所需的切片数据；
11.步骤二：将受损叶片夹持于夹具上，使受损叶片的底面与基板平面密切贴合并以此为基准面；根据修复模型，采用线切割工艺切除损坏部分，并对线切割后的平面进行打磨和清洗，以获得一个干净、平整的修复平面；
12.步骤三：将待修复叶片连同夹具放置于slm设备成型缸，调节夹具的夹持角度，将受损叶片的待修复平面调平，并调整修复模型的坐标系，使其与待修复叶片坐标系重合，然后采用slm实现受损叶片的增材修复；
13.步骤四：将slm成型修复后的叶片放置热等静压机中，在1280℃、150mpa的条件下保温2小时后，降温降压取出热等静压处理后的叶片；
14.步骤五：使用三维扫描仪对热等静压后的修复叶片进行扫描，将扫描的模型与逆向建模的修复模型进行对比检查，去除加工余量，直至满足叶片的尺寸、公差要求，从而实现整个受损叶片的修复。
15.步骤三中的坐标系调整，是指基于红光扫描调整坐标系，具体是首先使用红光不铺粉扫描切片模型第一层的轮廓，观察扫描路径并与受损叶片实际轮廓进行比较，粗调修复模型坐标系位置，并重复多次直至观察不到两坐标系的偏差。
16.步骤三中基于红光扫描调整坐标系后，仍存在偏差，需要通过激光扫描细调坐标系位置；通过激光不铺粉扫描修复模型切片文件第一层轮廓并与叶片实际轮廓进行比较，微调修复模型坐标系位置，并重复多次直至修复模型的坐标系使其与待修复叶片坐标系重合。
17.步骤三中的slm成型过程中，对同一成型层采用不同工艺参数进行两次扫描，其中初熔工艺参数为：激光功率105w，扫描速度400mm/s，铺粉层厚30μm，扫描间距80μm，扫描策略为整体双向扫描、层间正交；重熔工艺参数为：激光功率90w，扫描速度400mm/s，铺粉层厚30μm，扫描间距80μm，扫描策略为整体双向扫描、层间正交。
18.步骤三中所修复叶片为镍基高温合金叶片，其srr99合金元素含量为w：9.5％，cr：8.5％，al：5.5％，co：5％，ta：2.8％，ti：2.2％，c：0.015％，ni：余量；
19.修复材料选择更适合slm工艺且元素成分相近的cm247lc粉末，其元素含量为w：9.66％，co：9.41％，cr：8.11％，al：5.49％，ta：3.18％，hf：1.29％，ti：0.74％，mo：0.52％，c：0.08％，b：0.013％，zr：0.008％，ni：余量。
20.本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：
21.1、本发明通过三维扫描逆向建模可以建立受损叶片的精确模型，获得修复模型的切片数据，并通过slm工艺对其进行修复，从而实现形状复杂叶片的高精度修复。
22.2、本发明通过热等静压处理，抑制甚至消除了slm工艺成型镍基合金时常见的裂纹等缺陷，同时使镍基合金基体较好的保留单晶性质，并获得γ’相均匀分布的微观组织。
23.3、本发明可以实现slm工艺高精度修复复杂叶片的叶尖损伤，同时保证所修复叶片的微观组织和机械性能，可为镍基单晶叶片叶尖损伤修复提供一种良好的方案，为同类叶片修复提供借鉴思路，具有广泛的应用和推广价值。
附图说明
24.图1为受损叶片尖端损伤激光修复及后处理过程流程图；
25.图2为受损叶片三维扫描数据处理过程流程图；
26.图3为受损叶片前处理流程图；
27.图4为受损叶片slm增材修复过程流程图；
28.图5为修复叶片slm修复后修复界面处光学显微镜图片；
29.图6为修复叶片slm修复后修复界面处扫描电子显微镜图片；
30.图7为修复叶片hip处理后修复界面处光学显微镜；
31.图8为修复叶片hip处理后修复界面处扫描电子显微镜图片；
32.图9为修复叶片hip处理前后修复界面处弹性模量、纳米硬度曲线。
具体实施方式
33.下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
34.本发明公开了一种单晶涡轮叶片尖端损伤激光修复方法，包括如下步骤：
35.步骤一：通过三维扫描仪，对受损叶片进行扫描，以获取受损叶片模型(stl格式)；截取受损叶片模型中的损伤部分进行逆向建模，使所建模型与损伤部分模型切合；然后，对通过逆向建模得到的修复模型进行切片，得到在slm修复过程所需的切片数据；
36.步骤二：将受损叶片夹持于夹具上，使受损叶片的底面与基板平面密切贴合并以此为基准面；根据修复模型，采用线切割工艺切除损坏部分，并对线切割后的平面进行打磨和清洗，以获得一个干净、平整的修复平面；
37.步骤三：将待修复叶片连同夹具放置于slm设备成型缸，调节夹具的夹持角度，将受损叶片的待修复平面调平，并调整修复模型的坐标系，使其与待修复叶片坐标系重合，然后采用slm实现受损叶片的增材修复；
38.步骤四：将slm成型修复后的叶片放置热等静压机中，在1280℃、150mpa的条件下保温2小时后，降温降压取出热等静压处理后的叶片；
39.步骤五：使用三维扫描仪对热等静压后的修复叶片进行扫描，将扫描的模型与逆向建模的修复模型进行对比检查，去除加工余量，直至满足叶片的尺寸、公差要求，从而实现整个受损叶片的修复。
40.步骤三中的坐标系调整，是指基于红光扫描调整坐标系，具体是首先使用红光不铺粉扫描切片模型第一层的轮廓，观察扫描路径并与受损叶片实际轮廓进行比较，粗调修复模型坐标系位置，并重复多次直至观察不到两坐标系的偏差。
41.步骤三中基于红光扫描调整坐标系后，仍存在偏差，需要通过激光扫描细调坐标系位置；通过激光不铺粉扫描修复模型切片文件第一层轮廓并与叶片实际轮廓进行比较，微调修复模型坐标系位置，并重复多次直至修复模型的坐标系使其与待修复叶片坐标系重合。
42.步骤三中的slm成型过程中，对同一成型层采用不同工艺参数进行两次扫描，其中初熔工艺参数为：
43.激光功率105w，扫描速度400mm/s，铺粉层厚30μm，扫描间距80μm，扫描策略为整体双向扫描、层间正交；
44.重熔工艺参数为：激光功率90w，扫描速度400mm/s，铺粉层厚30μm，扫描间距80μm，扫描策略为整体双向扫描、层间正交。
45.步骤三中所修复叶片为镍基高温合金叶片，其srr99合金元素含量为w：9.5％，cr：
8.5％，al：5.5％，co：5％，ta：2.8％，ti：2.2％，c：0.015％，ni：余量；
46.修复材料选择更适合slm工艺且元素成分相近的cm247lc粉末，其元素含量为w：9.66％，co：9.41％，cr：8.11％，al：5.49％，ta：3.18％，hf：1.29％，ti：0.74％，mo：0.52％，c：0.08％，b：0.013％，zr：0.008％，ni：余量。
47.请参阅图5图6，slm修复后的单晶涡轮叶片修复界面结合良好，但是修复部分明显存在较多的裂纹。修复部分的微观组织主要为垂直于界面生长的柱状晶，单晶叶片仍保持为排列均匀的γ’相组织，且其γ’相尺寸较大。
48.请参阅图7图8，hip处理后的单晶涡轮叶片仍保持较好的结合界面，同时消除了修复部分原本存在的微裂纹缺陷，并能够观察到明显的晶粒。修复部分的微观组织与单晶叶片均为γ’相组织，且相对于hip处理前其γ’相尺寸减小。
49.对比，图5至图7的微观组织，hip处理可以有效地抑制和消除slm增材修复过程产生的微裂纹缺陷，同时促进修复叶片特别是修复界面处微观组织的均匀化。
50.请参阅图9，通过图9中hip处理前后弹性模量和纳米硬度曲线的对比，发现hip处理可以促进单晶基体与修复部分机械性能方面的均匀化，促进了修复界面冶金结合性能的提升，有利于修复叶片整体性能的一致性和均匀化。
51.如上所述，便可较好地实现本发明。
52.本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。