阅读说明：本技术 镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法 (Method for repairing nickel-based single crystal turbine blade shroud ) 是由 李磊 岳珠峰 曾延 赵哲南 卫靖澜 黄威 杨未柱 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法,涉及结构修复领域。该修复方法包括：去除涡轮叶片叶冠的损伤部位,以形成待修复部位,叶片包括沿展向依次连接的多个区域；在修复过程中对各区域进行梯度加热或保温,以使距待修复部位由近到远的各区域的各加热或保温温度逐级递减；通过激光熔覆工艺在待修复部位表面形成熔覆层；去除熔覆层预设区域的材料,形成目标修复层。本公开的镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法可减小热应力和热变形,使修复部位的晶体取向与基体一致,通过后续打磨修型后满足叶片的使用要求,延长叶片使用寿命,降低成本。(The invention provides a method for repairing a blade shroud of a nickel-based single-crystal turbine blade, and relates to the field of structural repair. The repairing method comprises the following steps: removing the damaged part of the turbine blade shroud to form a part to be repaired, wherein the blade comprises a plurality of areas which are sequentially connected in the spanwise direction; carrying out gradient heating or heat preservation on each area in the repairing process so as to gradually decrease the heating or heat preservation temperature of each area from near to far away from the part to be repaired; forming a cladding layer on the surface of the part to be repaired by a laser cladding process; and removing the material of the preset area of the cladding layer to form a target repairing layer. The repair method of the nickel-based single crystal turbine blade shroud can reduce thermal stress and thermal deformation, enables the crystal orientation of the repaired part to be consistent with that of a base body, meets the use requirement of the blade after subsequent polishing and modification, prolongs the service life of the blade and reduces the cost.)

镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法

技术领域

本公开涉及结构修复领域，具体而言，涉及一种镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法。

背景技术

镍基单晶合金具有很好的耐高温、抗蠕变、抗氧化和热机械疲劳性能，因而被广泛应用于航空发动机及燃气轮机涡轮叶片中，涡轮叶片叶冠是涡轮叶片的重要组成部分，在叶片运行过程中常受到极端环境的影响，使得涡轮叶片叶冠出现掉块或裂纹等缺陷和损伤。这些缺陷和损伤的产生改变了叶片的支承结构和振动特性，轻则造成机件损坏、叶片报废，重则导致转子叶片断裂，危及发动机和飞机的安全。

现有的涡轮叶片在出现缺陷或损伤时，常需要将其更换，但涡轮叶片在制造过程中成品率不高，且材料昂贵，更换成本较高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法，可减小热应力和热变形，使修复部位的晶体取向与基体一致，通过后续打磨修型后满足叶片的使用要求，延长叶片使用寿命，避免频繁更换叶片，降低成本。

根据本公开的一个方面，提供一种镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法，包括：

去除涡轮叶片叶冠的损伤部位，以形成待修复部位，所述叶片包括沿展向依次连接的多个区域；

在修复过程中对各所述区域进行梯度加热或保温，以使距所述待修复部位由近到远的各所述区域的各加热或保温温度逐级递减；

通过激光熔覆工艺在所述待修复部位的表面形成熔覆层；

去除所述熔覆层的预设区域的材料，形成目标修复层。

在本公开的一种示例性实施例中，所述去除涡轮叶片叶冠的损伤部位，以形成待修复部位，所述叶片包括沿展向依次连接的多个区域包括：

采用机械加工去除涡轮叶片叶冠的损伤部位，形成待修复部位；

所述叶片包括沿展向依次连接的叶根、叶身、叶尖及叶冠，所述待修复部位位于所述叶冠。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述区域的加热或保温温度的取值范围包括80℃～200℃。

在本公开的一种示例性实施例中，在修复过程中对各区域进行梯度加热或保温，以使距所述待修复部位由近到远的各所述区域的各加热或保温温度逐级递减包括：

在惰性气体环境下，对所述叶片的各所述区域通过感应方式进行梯度加热或保温，各所述区域中包含所述待修复部位的区域的加热或保温温度大于其他各所述区域的加热或保温温度，且各所述区域中距离所述待修复部位较近的区域的加热或保温温度大于距离所述待修复部位较远的区域的加热或保温温度。

在本公开的一种示例性实施例中，所述通过激光熔覆工艺在所述待修复部位表面形成熔覆层包括：

采用激光扫描所述待修复部位；

将熔覆材料添加至所述待修复部位；

采用激光扫描所述待修复部位及所述熔覆材料，形成熔覆层。

在本公开的一种示例性实施例中，所述激光的光斑直径为1.0～1.5mm，所述激光的扫描功率为300～800W，所述激光的扫描速度为5～8mm/s。

在本公开的一种示例性实施例中，所述熔覆材料为镍基单晶高温合金粉末。

在本公开的一种示例性实施例中，所述修复方法还包括：

采用温度传感器检测各所述区域的温度，当各所述区域的温度超过与之对应的预设范围时，调节各所述区域的温度使其回到与之对应的预设范围内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述熔覆工艺为多层多道熔覆。

在本公开的一种示例性实施例中，所述修复方法还包括：

对所述目标修复层进行X光及荧光探伤检测。

本公开的镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法，可采用激光熔覆工艺对涡轮叶片叶冠的损伤部位进行修复，可延长涡轮叶片的使用寿命，避免频繁更换叶片而造成资源浪费，降低成本。在此过程中，由于对涡轮叶片的多个区域同时加热或保温，从而可减小待修复部位与其他区域的温度差，且距待修复部位由近到远的各区域的温度逐级递减，可使靠近待修复部位的区域与待修复部位的温度差减小，从而可降低待修复部位与相邻部位的热应力。还可通过控制各区域的温度控制待修复部位的晶体生长速率、生长方向及晶粒尺寸，使得目标修复层与原叶片基体的晶体取向保持一致，从而保证叶片的宏观力学性能；同时，各区域中，相邻两个区域中的热应力均有所减小，从而可在整体上降低修复后叶片的热应力，减小修复后叶片的热变形。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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为本公开实施方式镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法的流程图。

图2为本公开实施方式叶片的结构示意图。

图3为本公开实施方式叶片的感应线圈环绕示意图。

图4本公开实施方式修复系统原理图。

图5为图1中步骤S130的流程图。

图6为本公开实施方式修复系统示意图。

图中：101、叶冠；102、叶尖；103、叶身；104、叶根；1、线圈；2、加热装置；3、激光扫描装置；4、温度传感器；5、送粉装置；6、控制系统；7、冷却系统；8、操作台。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本公开实施方式提供了一种镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法，可通过修复系统协助完成该修复方法，如图1所示，该修复方法可以包括：

步骤S110，去除涡轮叶片叶冠的损伤部位，以形成待修复部位，所述叶片包括沿展向依次连接的多个区域；

步骤S120，在修复过程中对各所述区域进行梯度加热或保温，以使距所述待修复部位由近到远的各所述区域的各加热或保温温度逐级递减；

步骤S130，通过激光熔覆工艺在所述待修复部位的表面形成熔覆层；

步骤S140，去除所述熔覆层的预设区域的材料，形成目标修复层。

本公开的镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法，可采用激光熔覆工艺对涡轮叶片叶冠的损伤部位进行修复，可延长涡轮叶片的使用寿命，避免频繁更换叶片而造成资源浪费，降低成本。在此过程中，由于对涡轮叶片的多个区域同时加热或保温，从而可减小待修复部位与其他区域的温度差，且各区域中距离待修复部位由近到远的各区域的温度逐级递减，可使靠近待修复部位的区域与待修复部位的温度差减小，从而可降低待修复部位与相邻部位的热应力，还可通过控制各区域的温度控制待修复部位的晶体生长速率、生长方向及晶粒尺寸，使得目标修复层与原叶片基体的晶体取向保持一致，从而保证叶片的宏观力学性能；同时，各区域中，相邻两个区域中的热应力均有所减小，从而可在整体上降低修复后叶片的热应力，减小修复后叶片的热变形。

下面对本公开实施方式镍基单晶涡轮叶片叶冠的修复方法的各步骤进行详细说明：

如图1所示，在步骤S110中，可去除涡轮叶片叶冠的损伤部位，以形成待修复部位，叶片可以包括沿展向依次连接的多个区域。

如图2-图3示，叶冠101是涡轮叶片的重要组成部分，可用于提高涡轮叶片的可靠性，减小叶片振动。在叶片工作过程中，由于高温、高压、腐蚀、热疲劳和振动等极端环境的影响以及叶冠101与叶冠101工作面之间产生的摩擦和叶冠101顶部与机匣之间的碰撞摩擦等，使得叶冠局部出现疲劳损伤、掉块或裂纹等缺陷，可将出现疲劳损伤、掉块或裂纹等缺陷的部位作为损伤部位，对其进行修复，减小叶片更换频率，降低成本。修复时，可去除损伤部位，以形成待修复部位，并可沿叶片展向方向将叶片分成多个依次连接的区域，举例而言，展向可以是叶片沿纵向延伸的方向，当然，还可以是其他方向，在此不做特殊限定。区域的数量可以是3个、4个、5个、6个、7个或8个，当然，还可以是其他数量，在此不做特殊限定。

此外，还需对待修复部位进行表面清洁处理，以去除待修复部位表面的杂质及油污。可采用有机溶剂对其表面进行超声清洗，例如，可采用酒精、丙酮或异丙醇等对有机溶剂对待修复部位表面进行清洁处理，当然，还可以采用其他溶剂进行清洗，在此不做特殊限定，只要能去除待修复部位表面的杂质及油污且不损伤其表面即可。

在一实施方式中，可对叶冠101的损伤部位进行机械打磨，以去除损伤部位的镍基单晶材料，使得损伤部位向内凹陷，从而形成待修复部位，待修复部位的表面可为光滑的平面或曲面，在此不做特殊限定。可以采用机械加工仪器进行打磨，还可以采用手工打磨，在此不做特殊限定，只要能去除损伤部位的镍基单晶材料即可。

如图2所示，叶片可以包括沿展向依次连接的叶冠101、叶尖102、叶身103及叶根104，还可沿展向将叶片分为多个区域，且各区域可沿展向依次连接，在一实施方式中，其中一区域可以为叶片的叶根104到叶片中心部位，其中二区域可为叶片中心部位到叶片叶身103的四分之三处，其中三区域可为剩余叶身103及未损伤的叶冠101，其中四区域可为待修复部位。

需要说明的是，叶片还可包括其他区域，例如：还可以包括五区域、六区域、七区域甚至更多区域，在此不再一一列举。

如图1所示，在步骤S120中，在修复过程中对各所述区域进行梯度加热或保温，以使距所述待修复部位由近到远的各所述区域的各加热或保温温度逐级递减。

在修复过程中可对各区域进行梯度加热或保温，此处的梯度加热或保温是指按照每个区域对应的预设温度对叶片进行加热或保温，且叶片中相邻两个区域的加热或保温温度不同。具体而言，可在惰性气体环境下，对叶片的各区域进行感应预热，惰性气体可以是氩气、氖气、氮气、氩气等，当然，还可以是其他化学性质比较稳定的气体，在此不再一一列举。

如图3所示，可采用电感线圈1进行感应预热，也可采用线圈进行加热或保温。举例而言，线圈1可以有多个，举例而言，其可以是3个、4个、5个、6个、7个或8个，当然，还可以是其他数量，在此不做特殊限定。需要说明的是，各区域整体预热温度可为80℃，线圈1的数量可与叶片中划分的区域的数量相等，且每个线圈1可具有与之一一对应的区域，可将线圈1环绕于与之对应的区域的外周，以便通过加热线圈1对叶片的各区域进行感应预热。如图4所示，可通过控制系统6控制各感应线圈1的温度，以便于对各区域进行加热或保温，进而使得靠近待修复部位的区域与待修复部位的温度差减小，从而可降低待修复部位与相邻部位的热应力，还可通过控制各区域的加热或保温温度控制待修复部位的晶体生长速率、生长方向及晶粒尺寸，使得目标修复层与原叶片修复基体的晶体取向保持一致，从而保证叶片的宏观力学性能。

举例而言，控制系统6可根据各区域对应的各预设温度控制加热装置2按照各预设温度对各线圈1加热，使各线圈1的感应温度处于与之对应的预设温度范围内。线圈1可以是铜合金管，当然，还可以是其他可用于加热的器件，在此不做特殊限定。

需要说明的是，还可以通过其他方式对叶片的各区域进行加热或保温，在此不做特殊限定。

每一个区域均具有与之一一对应的预设温度，且多个区域中相邻两个区域的预设温度可互不相同，当待修复部位位于中间区域时，与其相邻的两个区域的预设温度可相同，同时，与其距离相同的两个区域的预设温度也可相同。此外，各区域中包含待修复部位的区域的预设温度可大于其他任一区域的预设温度，举例而言，待修复部位的加热或保温温度的取值范围可以包括80℃～200℃，举例而言，待修复部位所在区域的的预设温度可以是80℃、120℃、140℃、160℃或200℃，当然，还可以是其他温度，在此不再一一列举。需要说明的是，为了保证修复效果，待修复部位的温度可以保持恒温。

在一实施方式中，各区域中距离待修复部位较近的区域的加热或保温温度可大于距离待修复部位较远的区域的加热或保温温度。举例而言，当待修复部位位于四区域时，三区域与待修复部位的距离小于二区域与待修复部位的距离，二区域与待修复部位的距离小于一区域与待修复部位的距离。举例而言，四区域的预设温度的取值范围可以包括80℃～700℃，三区域的预设温度的取值范围可以包括60℃～80℃，其可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃；二区域的预设温度的取值范围可以包括40℃～60℃，其可以是40℃、45℃、50℃、55℃或60℃；一区域的预设温度的取值范围可以包括20℃～40℃，其可以是20℃、25℃、30℃、35℃或40℃，当然，一区域、二区域、三区域及四区域还均可为其他温度，在此不再一一列举。

如图1所示，在步骤S130中，可通过激光熔覆工艺在待修复部位的表面形成熔覆层。

可采用激光扫描待修复部位，并在激光扫描的同时将熔覆材料添加至待修复部位的表面，使得待修复部位的材料与熔覆材料同时融化且融为一体，从而形成熔覆层。在此过程中，为了保证修复效果，可采用多层多道的熔覆工艺。熔覆材料可与叶冠101的材料相同，举例而言，其可以是镍基单晶高温合金粉末，当燃，当叶冠101的材料为其他材料时，熔覆材料也可以是其他材料，在此不做特殊限定。熔覆层的厚度可随待修复部位的厚度而定，在此不做特殊限定。

在一实施方式中，如图5所示，步骤130可以包括：

步骤S1301，采用激光扫描所述待修复部位。

如图6所示，可将叶冠101放置于熔覆操作台8上，并将待修复部位朝向激光光源一侧，并采用激光扫描装置3扫描待修复部位，使待修复部位的表面融化，在此过程中，激光扫描的光斑直径、扫描功率及扫描速度及送粉速率均可在预设范围内取值。举例而言，光斑直径的取值范围可以是1.0～1.5mm，举例而言，光斑直径可以是1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm或1.5mm；扫描功率的取值范围可以是300～800W，举例而言，扫描功率可以是300W、400W、500W、600W、700W或800W；扫描速度的取值范围可以是5～8mm/s，举例而言，扫描速度可以是5mm/s、6mm/s、7mm/s或8mm/s。当然，光斑直径、扫描功率及扫描速度还可以是其他取值范围，在此不做特殊限定。

步骤S1302，将熔覆材料添加至所述待修复部位。

熔覆材料可以呈粉体颗粒，该粉体颗粒的粒度可以是-100～+300目，当然，熔覆材料还可以呈块状固体，在此不对熔覆材料的存在状态做特殊限定。以熔覆材料为粉体为例，可通过送粉装置5采用同步送粉的形式将熔覆材料添加至待修复部位的表面，送粉速率的取值范围可以是8.5～12.5g/min，举例而言，送粉速率可以是8.5g/min、9.5g/min、10.5g/min、11.5g/min及12.5g/min；当然，送粉速率还可以是其他速率，在此不做特殊限定。当然，也可以采用其他方式将熔覆材料添加至待修复部位的表面，在此不对熔覆材料的添加方式做特殊限定。

步骤S1303，采用激光扫描所述待修复部位及所述熔覆材料，形成熔覆层。

采用激光同时扫描待修复部位及置于待修复部位表面的熔覆材料，可使得待修复表面和熔覆材料同时融化且融为一体，并可快速凝固，从而形成熔覆层。熔覆工艺可为多层多道熔覆，每层的厚度可为0.3mm～0.5mm，当然，还可以是其他厚度，在此不再一一例举。

如图1所示，在步骤S140中，去除所述熔覆层的预设区域的材料，形成目标修复层。

可采用机械方法去除熔覆层预设区域的材料，该预设区域可以是超出叶冠101原始尺寸范围的区域，以使修复后的叶冠101的尺寸与修复前叶冠101的尺寸保持一致。可通过机加工的方式去除该区域的多余材料，还可通过手工打磨的方式去除预设区域的材料，在此不做特殊限定。

本公开实施方式的修复方法还可以包括：

步骤S150，采用温度传感器检测各所述区域的温度，当各所述区域的温度超过与之对应的预设范围时，调节各所述区域的温度使其回到与之对应的预设范围内。

举例而言，可通过温度传感器4检测各区域的温度，温度传感器4的数量可以是多个，其可以是3个、4个、5个、6个、7个或8个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。需要说明的是，温度传感器4的数量可与叶片中各区域的数量相匹配，即：每个区域可一一对应的设有一个温度传感器4，各温度传感器4可用于检测与之对应的区域的温度。当检测到的温度超出各区域预设温度范围时，可调节各区域的温度使其回到与之对应的预设范围内。

举例而言，当温度传感器4检测到的温度大于该区域预设温度范围的最大值时，可通过冷却系统7向线圈1内部通冷却水的方式对线圈1降温，冷却水可以通过冷却通道在线圈1内部循环，从而带走部分热量，而使线圈1内部温度降低，且当温度降低至该区域对应的预设范围内时，停止冷却水的供应。此外，在修复完成时，可通过冷却水对感应线圈1及加热装置2的各元件降温。当温度传感器4检测到的温度小于该区域预设温度范围的最小值时，可通过对线圈1加热的方式，使线圈1内部温度升高，且可当温度升高至该区域对应的预设范围内时，停止加热。在一实施方式中，温度传感器4可以是热电偶。

本公开实施方式的修复方法还可以包括：

步骤S160，对所述目标修复层进行X光及荧光探伤检测。

可通过X射线检测系统对修复后的叶冠101进行X光检测，还可将溶有荧光染料的渗透剂渗入修复后的叶冠101表面进行荧光探伤检测，以便确定修复后的叶冠101是否还存在缺陷或损伤，并可对激光修复的修复效果进行评估。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。