一種TiAl鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種TiAl鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法，主要用于TiAl鑄件鑄造缺陷的修復(fù)。本發(fā)明選用延展性?xún)?yōu)于基體的Ti2AlNb金屬粉末作為熔覆材料，采用合理的激光熔覆工藝參數(shù)，對(duì)TiAl鑄造缺陷(裂紋、夾雜、縮松、欠鑄)進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)部位幾乎無(wú)變形，無(wú)裂紋、氣孔、未熔合缺陷，形成了高質(zhì)量的補(bǔ)焊接頭。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種TiAI鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種TiAl鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法，主 要用于TiAl鑄件鑄造缺陷的修復(fù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比，需要重點(diǎn)突破發(fā)動(dòng)機(jī)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、成型 工藝等方面的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的減重是提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的重要途徑之一，因此， 輕質(zhì)、耐高溫材料成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)良選材，其中以Ti-Al為基的合金在高溫結(jié)構(gòu) 材料應(yīng)用領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，是部分替代高溫合金的首選材料。TiAl基合金作為 Ti-Al基合金的一種，目前已經(jīng)進(jìn)入成熟應(yīng)用階段，該合金具有密度較低（約3. 8g/cm3)、 比強(qiáng)度和比剛度高等優(yōu)點(diǎn)，且工作溫度可達(dá)800°C，將在高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛應(yīng) 用。由于TiAl基合金塑韌性非常差、成形難度大等缺點(diǎn)的存在，不可避免會(huì)導(dǎo)致其鑄件在 制備過(guò)程中出現(xiàn)裂紋、夾雜、縮松等鑄造缺陷，需要采用補(bǔ)焊措施修復(fù)零件缺陷。目前較為 可行的補(bǔ)焊方法是采用氬弧焊。采用氬弧焊直接補(bǔ)焊時(shí)，由于氬弧焊熱輸入大，填充焊料與 基體的熔合比大，焊后引起的殘余應(yīng)力較大，補(bǔ)焊位置不可避免地均會(huì)出現(xiàn)焊接裂紋，要實(shí) 現(xiàn)成功補(bǔ)焊，TiAl鑄件須進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊時(shí)保溫，且預(yù)熱溫度達(dá)800°C以上，并需要焊后 緩冷（隨爐冷卻），這樣對(duì)預(yù)熱工裝要求較高，尤為重要的是焊接時(shí)的高溫危及焊工安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提出一種，焊后引起的殘余應(yīng)力小，補(bǔ)焊位置不易出現(xiàn)焊接裂紋 的TiAl鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法。
[0004] 本發(fā)明技術(shù)方案的具體內(nèi)容是：
[0005] 該方法的步驟是：
[0006] (1)制備熔覆材料，選擇Ti2AlNb材料作為熔覆材料，采用離心制粉方式將 Ti2AlNb材料制粉，粉末成分：Ti-22Al-25Nb-0.5Mo,粒度為150目?325目；
[0007] (2)修復(fù)前表面清理，打磨去除鑄造缺陷，目視檢查清理干凈，并拋光表面，要求打 磨面平整過(guò)度,最后用丙酮擦洗；
[0008] (3)采用履帶式陶瓷加熱帶，將待補(bǔ)焊工件進(jìn)行整體焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度 750°C ±50°C，根據(jù)工件大小選擇合適的加熱帶和加熱功率，將K偶置于待補(bǔ)焊工件上，用 于控制和監(jiān)測(cè)溫度；
[0009] (4)激光熔覆，當(dāng)補(bǔ)焊位置溫度達(dá)到750°C時(shí)，采用激光填加粉末熔覆方法恢復(fù) 缺陷位置的尺寸，并留有術(shù)〇. 5mm的加工余量。激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率450? 650W，光斑直徑0. 8?I. 2mm，熔覆速率300?600mm/min，送粉速率1. 5?3. 5rpm，送粉氣 5?10L/min，保護(hù)氣體15?35L/min。激光熔覆的單層厚度控制在0. 3?0. 5mm之間，采 用多層熔覆完成。在激光熔覆過(guò)程中，維持補(bǔ)焊位置溫度在750°C ±50°C。
[0010] (5)焊后緩冷，用石棉將補(bǔ)焊工件和加熱帶整體包裹，讓工件自然降至室溫；
[0011] (6)修復(fù)后測(cè)量，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量補(bǔ)焊部位，保證熔覆層留有術(shù)0. 5mm的加工余 量；
[0012] (7)無(wú)損檢測(cè)，采用熒光探傷方法，對(duì)激光熔覆層進(jìn)行檢查；要求無(wú)裂紋及未熔合 缺陷；
[0013] (8)打磨加工，采用手工打磨的方式加工補(bǔ)焊區(qū)域，目視檢查補(bǔ)焊位置與周?chē)w 齊平。
[0014] 所述的修復(fù)前表面清理，采用手持電槍打磨去除鑄造缺陷，并用鋼絲輪拋光被補(bǔ) 焊表面。
[0015] 本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果
[0016] 本發(fā)明采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行TiAl鑄件鑄造缺陷的補(bǔ)焊，激光熔覆與普通焊接 方法相比有以下優(yōu)勢(shì)：激光束的能量密度高，加熱速度快，對(duì)基材的熱影響較小，可將基材 的稀釋作用限制在極低的程度，可小于〇. 1mm，焊后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力小，引起工件的變形??； 熔覆層的厚度范圍較大，單道送粉一次熔覆厚度〇. 1?2. Omm ;通過(guò)填加不同粉末，能顯著 改善基體材料表面的耐蝕、耐磨、耐熱、抗氧化性能。
[0017] 基于激光熔覆技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明在補(bǔ)焊前期，采用Ti2AlNb材料作為激光熔覆 材料，在TiAl基體上進(jìn)行了激光熔覆補(bǔ)焊，分析補(bǔ)焊位置表面缺陷情況，得出：焊前進(jìn)行 預(yù)熱，預(yù)熱溫度750°C下，填充Ti2AlNb材料時(shí)，補(bǔ)焊位置未出現(xiàn)包括裂紋在內(nèi)的任何缺 陷。對(duì)接頭進(jìn)行室溫和750°C高溫拉伸測(cè)試，強(qiáng)度分別為372MPa(母材強(qiáng)度的91. 5% )和 437MPa(母材強(qiáng)度的95. 3% )，補(bǔ)焊強(qiáng)度完全能達(dá)到TiAl鑄件的補(bǔ)焊強(qiáng)度指標(biāo)要求。
[0018] 因此選用Ti2AlNb作為補(bǔ)焊材料，焊前預(yù)熱750°C，采用激光熔覆技術(shù)進(jìn)行TiAl鑄 件的補(bǔ)焊。該專(zhuān)利技術(shù)可直接用于我國(guó)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)TiAl鑄件（如高壓壓氣機(jī)葉片、渦 流器等）的研制，相應(yīng)的研究結(jié)果將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，為具有高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的研制提供技 術(shù)儲(chǔ)備。

【具體實(shí)施方式】：
[0019] 以下將結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步詳述：
[0020] 根據(jù)待修復(fù)鑄件在發(fā)動(dòng)機(jī)上的安裝部位，分析需修復(fù)部位的受力狀況和鑄造缺陷 情況，確認(rèn)部件材料成分，制造工藝和結(jié)構(gòu)組成，明確需要選擇的熔覆材料，通過(guò)以上分析 和確認(rèn)，實(shí)施以下具體步驟：
[0021] (1)制備熔覆材料，選擇延展性?xún)?yōu)于TiAl的Ti2AlNb材料，采用離心制粉方式制 粉，粉末成分：Ti-22Al-25Nb-0. 5Mo,粒度為150目?325目。
[0022] (2)修復(fù)前表面清理。采用手持電槍打磨去除裂紋、夾雜等鑄造缺陷，目視檢查清 理干凈，并用鋼絲輪拋光表面，要求打磨面盡可能平整過(guò)度，最后用丙酮擦洗。
[0023] (3)采用履帶式陶瓷加熱帶，從待補(bǔ)焊工件進(jìn)行整體焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度 750°C ±50°C，根據(jù)工件大小選擇合適的加熱帶和加熱功率，將K偶置于待補(bǔ)焊工件上，用 于控制和監(jiān)測(cè)溫度。
[0024] (4)激光熔覆。當(dāng)補(bǔ)焊位置溫度達(dá)到750°C時(shí)，采用激光填加粉末熔覆方法恢復(fù) 缺陷位置的尺寸，并留有術(shù)〇. 5mm的加工余量。激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率450? 650W，光斑直徑0. 8?I. 2mm，熔覆速率300?600mm/min，送粉速率1. 5?3. 5rpm，送粉氣 5?10L/min，保護(hù)氣體15?35L/min。激光熔覆的單層厚度控制在0. 3?0. 5mm之間，采 用多層熔覆完成。在激光熔覆過(guò)程中，維持補(bǔ)焊位置溫度在750°C ±50°C。
[0025] (5)焊后緩冷。用石棉將補(bǔ)焊工件和加熱帶整體包裹，讓工件緩慢降至室溫，防止 快冷時(shí)產(chǎn)生裂紋。
[0026] (6)修復(fù)后測(cè)量。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量補(bǔ)焊部位，保證熔覆層留有術(shù)0. 5mm的加工余 量。
[0027] (7)無(wú)損檢測(cè)。采用熒光探傷方法，對(duì)激光熔覆層進(jìn)行檢查；要求無(wú)裂紋等缺陷。
[0028] (8)打磨加工。采用手工打磨的方式加工補(bǔ)焊區(qū)域，目視檢查補(bǔ)焊位置與周?chē)w 基本齊平。
[0029] 具體實(shí)例一
[0030] 采用激光熔覆進(jìn)行TiAl試片的補(bǔ)焊
[0031] TiAl試片缺陷制備
[0032] 試驗(yàn)共用了 8個(gè)TiAl試樣，編號(hào)為1#?8#，尺寸為 55mm(長(zhǎng)）X 20mm(寬）X 7mm(高），分別在每個(gè)試片上沿寬度和高度方向開(kāi)20mm長(zhǎng)、2mm深 的U型槽，以模擬缺陷。
[0033] 修復(fù)過(guò)程和檢查
[0034] 先對(duì)1#試樣進(jìn)行補(bǔ)焊，首先進(jìn)行焊前預(yù)熱，當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到750°C時(shí)，采用發(fā)明 內(nèi)容中的工藝參數(shù)，對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行激光熔覆，焊接過(guò)程中持續(xù)加熱，維持補(bǔ)焊位置溫度在 750°C ±50°C ;焊后緩冷至室溫；測(cè)量熔覆層尺寸，保證留有術(shù)0. 5mm的加工余量；依次對(duì) 2#?8#試樣進(jìn)行補(bǔ)焊；補(bǔ)焊完成后，進(jìn)行熒光檢測(cè)，無(wú)裂紋缺陷；手工打磨補(bǔ)焊多余部分， 目視檢查與周?chē)w平齊，具體工藝見(jiàn)下表所示。
[0035]

【權(quán)利要求】
1. 一種TiAl鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法，其特征在于：該方法的步驟是： (1) 制備熔覆材料，選擇Ti2AlNb材料作為熔覆材料，采用離心制粉方式將Ti2AlNb材 料制粉，粉末成分：Ti-22Al-25Nb-0. 5Mo,粒度為150目?325目； (2) 修復(fù)前表面清理，打磨去除鑄造缺陷，目視檢查清理干凈，并拋光表面，要求打磨面 平整過(guò)度，最后用丙酮擦洗； (3) 采用履帶式陶瓷加熱帶，將待補(bǔ)焊工件進(jìn)行整體焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度 750°C ±50°C，根據(jù)工件大小選擇合適的加熱帶和加熱功率，將K偶置于待補(bǔ)焊工件上，用 于控制和監(jiān)測(cè)溫度； (4) 激光熔覆，激光熔覆的工藝參數(shù)為：激光功率450?650W，光斑直徑0. 8?1. 2mm， 熔覆速率300?600mm/min，送粉速率1. 5?3. 5rpm，送粉氣5?10L/min，保護(hù)氣體15? 35L/min ;采用多層熔覆完成，激光熔覆的單層厚度控制在0. 3?0. 5mm之間，在激光熔覆過(guò) 程中，維持補(bǔ)焊位置溫度在750°C ±50°C，當(dāng)補(bǔ)焊位置溫度達(dá)到750°C時(shí)，激光熔覆恢復(fù)缺 陷位置的尺寸，并留有術(shù)〇. 5mm的加工余量； (5) 焊后緩冷，用石棉將補(bǔ)焊工件和加熱帶整體包裹，讓工件自然降至室溫； (6) 修復(fù)后測(cè)量，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量補(bǔ)焊部位，保證熔覆層留有永0. 5mm的加工余量； (7) 無(wú)損檢測(cè)，采用熒光探傷方法，對(duì)激光熔覆層進(jìn)行檢查；要求無(wú)裂紋及未熔合缺 陷； (8) 打磨加工，采用手工打磨的方式加工補(bǔ)焊區(qū)域，目視檢查補(bǔ)焊位置與周?chē)w齊 平。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TiAl鑄件鑄造缺陷的激光補(bǔ)焊方法，其特征在于：所述 的修復(fù)前表面清理，采用手持電槍打磨去除鑄造缺陷，并用鋼絲輪拋光被補(bǔ)焊表面。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK104404506SQ201410638446
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】孫兵兵, 陳波, 陳冰清, 張學(xué)軍, 郭紹慶, 李能 申請(qǐng)人:中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院