因 航空发动机涡 轮 叶 片 的 工 作 条 件 非 常 恶 劣 ， 此采用了性能优异但价格十分昂贵的镍基和钴基高 温合金材材及复杂的制造工艺 ， 因而成本很高 ， 如单 个国产普通叶片的 平 均 价 格 可 达 １ 万 多 元 ， 进口机 型的某些叶片更是高达上万美元 。 然而涡轮叶片由
于受磨损 、 冲击 、 高 温 燃 气 和 冷 热 疲 劳 等 作 粉 末 ） 光束的高能 量 ， 不断熔化修复
焊料粉末和 叶 片 基 体 材 料 ， 使 修复 焊 料 和 叶 片 基 体 紧 紧 结 合在 一 起 ， 从而达到修复目 的； 第５步： 应用机械方法对 修复 后 的 叶 片 裂 纹 表 面 进 行 修整 ， 使 其 达 到 表 面 质 量 要 图 ２ 涡轮叶片裂纹 的激光熔覆修 求； 第６步： 恢复叶片表面原 保护系统 ； 第７步： 对修复件进行质量检测 。
内
激光器 ， 该激光器为光纤激光器 ， 体积小 、 重量轻 、 效 率高 。Ｘ－ ０ ２ Ｄ 数控系统的 Ｙ－ Ｚ 工作台采用 西 门 子 ８ 五维数控机床 。 修 复 时 采 用 同 轴 送 粉 方 式 ， 送粉器 和同轴工作头由我单位自行研制 。 最佳修复焊料金 属粉末为镍基高温合金粉末 ， 其主要成分为 （ 质量分 ： 数 ％） ｏ ４． ４ ８、 Ｃ ｒ １ ８． ５ ４、 Ｗ ４． ４ ２、 Ａ ｌ ３． ０ １、 Ｔ ｉ ２． Ｍ 。 最佳工艺参数为 ： 其余为 Ｎ 激光功 ５、 ｉ ５ ９、 Ｙ ２Ｏ ３１． 扫描速度 １ 送粉 率２ １ ０～３ ０ ０ Ｗ， ８ ０～２ ３ ０ｍｍ／ ｍ ｉ ｎ， 光斑直径 ０． 速率 ０． ９ ５～１． ２ ５ｇ／ ｍ ｉ ｎ， ３～０． ８ｍｍ。
图 １ 涡轮叶片裂纹的激光熔覆修复系统示意图
４ 修复质量检测
依据 标准试 样 的 模 拟 裂 纹 经 激 光 熔 覆 修 复 ， 试验 Ｂ ２ ２ ８－８ ７ 试验方法 进 行 常 温 拉 伸 性 能 试 验 ， Ｇ 结果见表 １， 试样断裂处发生在基 材 ， 表明裂纹修复 处的强度 性 能 已 达 到 或 超 过 了 基 材 。 依 据 Ｇ Ｂ ２ ２ ８ 拉伸温度 －８ ７ 试 验 方 法 进 行 高 温 拉 伸 性 能 试 验，
［ ］ １ ２ －
生各种裂纹缺陷 ， 因叶片材料和制造工艺的特殊性 ， ， 致使大量叶片因无法修理而 报废 ， 经济损失 十 分 巨 大 。 国 外 先 进 国 家 在 多 数 情 况下都是对损坏的涡轮叶片采取修理的措施而不是 更换 ， 其巨大的军事 价 值 和 经 济 利 益 吸 引 了 许 多 国 家和地区纷纷涉足 此 领 域 ， 如目前美国等国已成功 掌握了叶片裂纹的 激 光 修 复 技 术 ， 而我国涡轮叶片 裂纹修复技术还比 较 落 后 ， 因此我们研究了应用激 光熔覆技术对航空发动机涡轮叶裂纹进行修复的新 工艺 ， 取得了较好 的 效 果 ， 它 能 节 省 大 量 经 费， 绿色 环保 ， 将产生巨大的经济和社会效益 。
复工艺过程
３ 修复系统的主要设备及工艺参数
修复系统采用的是 Ｉ Ｐ Ｇ 激光公司生产的 １ｋＷ
《 · 热加工工艺技术与材料研究 ２ 新技术新工艺 》 ０ １ ０年 第８期
ww 部 学 w 激 .j 习 光 gx 资 修 f.c 料 复 om 网
为了检验 修复 工 艺 的 实 采用 激 光 熔 覆 的方 法 对 使 用 寿命为 ３ １ ５ｈ ０ 的某发动机 Ⅱ 级涡 轮 工 作 叶 片进 行 了 裂 纹 修 复 试 验。 该 裂纹 均 位 于 叶 际 效 果 ，我 们 需求 。
， ， ， ＷＡＮＧ Ｄ ｉ ｎ ｉ ａ ｎ Ｘ Ｉ Ａ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｂ ａ ｏ ＷＡＮＧ Ｄ ｏ ｎ ｆ ｅ ｎ ＣＨＥ Ｎ Ｍ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ ｇ ｊ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ （ ， ） Ｔ ｈ ｅ Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ａ ｉ ｒ Ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ Ｘ ｉ ｎ ａ ｎ ４ ６ ４ ０ ０ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ ｇ ： ， Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔＴ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｏ ｆ ａ ｅ ｒ ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｗ ａ ｓ ａ ｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｉ ｎ ａ ｅ ｒ ｏ ｌ ａ ｎ ｅ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ． Ａ ｔ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ － ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ ｐ ， ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｎ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｏ ｆ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ ｗ ａ ｓ ｆ ｅ ｗ ｉ ｎ ｏ ｕ ｒ ｃ ｏ ｕ ｎ ｔ ｒ ． Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ａ ｅ ｒ ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｓ ｐ ｙ ｐ ｐ ｐ ｐ ｇ ， ， ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｃ ｏ ｕ ｒ ｓ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｗ ａ ｓ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｃ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ ｐ ｙ ｇ ｐ ｇ ｙ ｇ ｇ ｃ ａ ｎ ｍ ｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ａ ｎ ｄ ｍ ａ ｉ ｎ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｕ ｎ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ａ ｉ ｒ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｐ ｐ ｐ ｑ ｙ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ． ｐ ， ： ， Ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｒ ｅ Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ａ ｅ ｒ ｏ ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ａ ｉ ｒ ｐ ｇ ｇ ｙ ｙ
真 空 涂 层 焊、 钨极惰性气体保 此， 如应用真空钎 焊 、 ·７ ２· 《 · 热加工工艺技术与材料研究 ２ 新技术新工艺 》 ０ １ ０年 第８期
ww 部 学 w 激 .j 习 光 gx 资 修 f.c 料 复 om 网
数的优化 。
等方 法 来 修 复 叶 片 裂 纹 时， 因为这些方 护焊 （ Ｉ Ｇ） Ｔ 法在修复过程中热 输 入 量 较 大 ， 热影响区极易出现 热裂纹 ， 同时修复过 程 中 引 起 的 收 缩 变 形 使 叶 片 的 安装精度难以保证 ， 因此 ， 这些方法的应用具有很大 的局限性 。 由于激光熔覆是超快速加热和超快速冷 却的过程 ， 具有对 基 材 的 热 输 入 量 少 、 热 影 响 区 小、 熔覆层组织细小和 易 于 实 现 自 动 化 等 优 点 ， 采用激 光熔覆的方法修复叶片裂纹与其他方法相比具有明 显的优势 。 目前 ， 激光熔覆技术已成为国际发达国 家首选的航空发 动 机 涡 轮 叶 片 修 复 技 术 。 因 此 ， 我 们采用激光熔覆技术对航空发动机叶片表面裂纹进 行修复 ， 根据航空发动机涡轮叶片的具体情况 ， 我们 设计了的激光熔覆修复系统 ， 如图 １ 所示 。 该系统由激光器 、 工作台 、 激光工作头 、 送粉器 、 温度监测系统等 组 成 。 激 光 器 产 生 激 光 束 ， 通过光 路系统和激光工作 头 作 用 于 叶 片 裂 纹 表 面 ， 产生高 温， 同时送粉器送入修复焊料金属粉末于裂纹处 ， 修 复焊料金属粉末和叶片基体金属在激光作用下超快 速熔化和 超 快 速 冷 却 ， 从 而 达 到 填 补 裂 纹 的 效 果。 工作台是一数控工 作 平 台 ， 可以根据叶片裂纹的形 状和大小自动精确 的 移 动 ， 从而保证修复的精度和 质量 。 温度监测系统主要作用是实时监测金属融化 处的温度 ， 并及时微调激光功率 ， 以保证修复工艺参
柱状晶为主 。 这主要与此区域液态金属的流动情况 以及凝固条件有较大的关系 。 由于焊缝的散热方向
２ 修复工艺过程
经研究 ， 应用激光熔覆技术修复叶片表面裂纹 ， 其工艺过程如下 ： 第１步： 在叶片进行修复前需对叶片进行检测 ， 主要采用无损探伤 的 方 法 ， 以检测叶片裂纹的具体 位置 、 形状 、 大小等 ， 判断是否具有修复价值 ； 以便修复 ；
第２ 步： 对叶片表面进行清洗， 洗 去 表 面 污 垢， 第３步： 清洗裂纹 ， 其目的是完全去除叶片裂纹 处的氧化膜和污垢 ， 使熔覆金属粉末能润湿叶片裂
试验结果见表 １， 同样试样断裂处发生在基 ０ ０ ℃， ８ 材， 表明高温时裂纹 修 复 处 的 强 度 性 能 已 达 到 或 超 过了基材 。 对裂纹 修 复 组 织 进 行 了 扫 描 电 镜 观 察 ， 结果如图 ３ 所示 。 该图为修复质量良好的熔覆组织 形貌 ， 可以看出熔覆区组织细小致密 ， 其晶粒形貌以
纹表面 ， 与基 体 金 属 冶 金 结 合， 达到修复叶片之目 的 。 针对此类氧化 膜 ， 目前国际上常用的去除方法
内
主要有氟化物反应 去 除 法 和 机 械 方 法 去 除 法 ， 我们 采用的是机械方法 ； 第４步： 应用激光熔覆修 复系 统 对 叶 片 裂 纹 进 行 激 光 熔覆修复 ， 即将激光束照射在 裂纹处 ， 同时 送 粉 器 不 断 送 粉
基于激光熔覆技术的航空发动机涡轮叶片裂纹修复新工艺
汪定江 ， 夏成宝 ， 王东锋 ， 陈名华
） （ 空军第一航空学院 ， 河南 信阳 ４ ６ ４ ０ ０ ０
摘 要： 航空发动机涡轮叶片裂纹的 修 复 是 飞 机 修 理 工 作 中 的 难 题 ， 目前国内对涡轮叶片裂纹的修 复工艺研究甚少 。 本文研究了基于激光熔覆技术的航空发动机涡轮叶片裂纹修复新工艺 ， 设计出了涡 轮 叶片裂纹的激光修复系统 ， 得出了修 复 工 艺 过 程 和 主 要 工 艺 参 数 。 应 用 该 工 艺 修 复 叶 片 裂 纹 ， 其质量满 足使用需要 。 关键词 ： 发动机涡轮叶片 ； 激光技术 ； 裂纹修复 中图分类号 ： Ｐ ２ ７ ４； Ｔ Ｐ ３ ９ ９ 文献标志码 ： Ｂ Ｔ ｅ ｗ Ｒ ｅ ａ ｉ ｒ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ Ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｌ ａ ｍ ｉ ｎ ａ Ｃ ｒ ａ ｃ ｋ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ Ｃ ｌ ａ ｄ ｄ ｉ ｎ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ａ Ｎ ｇ ｙ ｐ ｇ ｇ