一種用于激光熔覆定向凝固合金的強制冷卻裝置的制作方法

本發(fā)明屬于航空發(fā)動機渦輪葉片激光成形與修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于激光熔覆定向凝固合金的強制冷卻裝置。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動機被稱為飛機的心臟，為飛行提供動力，可以說發(fā)動機的動力和穩(wěn)定性很大程度上是當(dāng)下評價飛機性能優(yōu)劣的一個標(biāo)準(zhǔn)，而航空發(fā)動機渦輪葉片是發(fā)動機性能的保證。目前，先進(jìn)的航空發(fā)動機對于渦輪葉片在高溫高壓下工作能力提出了很高的要求。

為了適應(yīng)高溫高壓的工作環(huán)境，位于航空發(fā)動機熱端的渦輪葉片多使用以鎳基為主的定向凝固高溫合金。鎳基定向凝固高溫合金渦輪葉片制造成本很高，由于葉片長期在高溫高壓環(huán)境下服役，因此常常會出現(xiàn)裂紋、磨損等損傷。目前，針對鎳基定向凝固高溫合金葉片損傷的修復(fù)多以激光熔覆的方法。激光熔覆技術(shù)發(fā)展于上世紀(jì)70年代，其基本原理是以激光作為熱源，將熔覆材料燒結(jié)至基材表面薄層，使熔覆材料與基材冶金結(jié)合形成熔覆層。由于激光能量集中，在工藝過程中與基材表面作用時間短，因此具有熱影響區(qū)小、熱變形小、稀釋率低等優(yōu)點。為了滿足當(dāng)前定向凝固高溫合金葉片的修復(fù)要求，修復(fù)組織需在原有基材組織生長方向的基礎(chǔ)上外延定向生長形成定向凝固組織。國內(nèi)外已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，定向凝固組織的生長取決于凝固界面前沿溫度梯度(G)與凝固速率(V)的比值(G/V)。當(dāng)G/V大于某臨界值(該臨界值與合金組分相關(guān))時，定向凝固組織為定向生長的柱狀晶。因此，提升激光熔覆過程中凝固界面前沿的溫度梯度有利于定向凝固組織的生長，得到體積分?jǐn)?shù)更大的定向凝固組織對于高溫合金渦輪葉片的修復(fù)工作有著重要意義。

調(diào)整激光工藝參數(shù)可以一定程度上改變凝固界面前沿的溫度梯度，此外，在激光熔覆過程中附加一定的冷卻措施，也可有效提升溫度梯度。

西安交通大學(xué)賀斌等，在對基材進(jìn)行激光沉積成形過程中使用液氬冷卻裝置輔助改變凝固過程中凝固界面前沿的溫度梯度。該裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由液氬輸送管01、液氬儲罐02、連接件04和液氬噴嘴05構(gòu)成，使用連接件04將兩個液氬噴嘴05分別安裝固定在激光頭03兩側(cè)，并用液氬輸送管01將液氬噴嘴05和液氬儲罐02連接。06為沉積層，07為基材寬度截面，工作時先沿基材長度方向進(jìn)行激光沉積，然后停止激光，通過液氬噴嘴噴射液氬對金屬已沉積部分兩側(cè)進(jìn)行冷卻，再停止冷卻進(jìn)行激光沉積，激光沉積過程和冷卻過程依次交替進(jìn)行直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的沉積層06高度后停止。采用該冷卻裝置可以得到連續(xù)的柱狀晶，但是存在兩個問題：一是冷卻施加在沉積層兩側(cè)，導(dǎo)致柱狀晶生長方向偏向施加冷卻的兩個壁面，而非沿豎直向上外延生長；二是激光沉積與冷卻交替進(jìn)行，沉積速率較低。

上海交通大學(xué)張堯成等，在激光熔覆鎳基高溫合金過程中使用了一種液氮冷卻裝置，該裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該裝置由液氮容器004，液氮005和基材支架006構(gòu)成?；闹Ъ苤斡谌萜鞯撞?，將基材003放置在基材支架006上，并使基材表面以下部分浸泡在裝有液氮的容器中，開啟激光001進(jìn)行激光熔覆，形成熔覆層003。使用液氮冷卻雖然可以提升熔覆過程凝固界面前沿的溫度梯度(G)，但是由于對工件整體激劇的冷卻效果會更大程度地提升凝固速率(V)，反而抑制定向凝固組織形成，所以成形組織多為細(xì)密無方向性的等軸晶組織。此裝置適用于不要求形成定向凝固組織的高溫合金激光熔覆，無法促進(jìn)定向凝固組織的形成。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足，提供一種用于激光熔覆定向凝固合金的強制冷卻裝置。本發(fā)明裝置可在激光熔覆過程中快速降低工件底部溫度，提升凝固界面前沿溫度梯度，并在實驗測試中得到方向性一致、體積分?jǐn)?shù)更大的定向凝固柱狀晶組織。

本發(fā)明提出的一種用于激光熔覆定向凝固合金的強制冷卻裝置，適用于厚度小于20mm的工件，本裝置包括強制冷卻裝置上部和強制冷卻裝置下部，上、下兩部分通過螺紋連接，結(jié)合處安裝密封墊，強制冷卻裝置上、下部均為一體成型結(jié)構(gòu)；其中，所述強制冷卻裝置上部包括上部主體和位于上部主體底部中心的散熱結(jié)構(gòu)，在上部主體中心開設(shè)與工件尺寸相匹配的工件槽，該工件槽的深度小于上部主體厚度，上部主體上均勻設(shè)有用于安裝壓板的螺紋孔，通過該壓板固定工件，上部主體上還均勻設(shè)有用于連接強制冷卻裝置下部的螺紋孔；所述強制冷卻裝置下部上表面中心開設(shè)與散熱結(jié)構(gòu)尺寸相匹配的冷卻水通道，該冷卻水通道兩端至強制冷卻裝置下部兩側(cè)壁分別設(shè)有冷卻水通道入口和冷卻水通道出口，強制冷卻裝置下部上表面還均勻設(shè)有連接上部主體的螺栓孔。

所述散熱結(jié)構(gòu)由多個等間距設(shè)置的散熱片構(gòu)成。

本發(fā)明特點及有益效果：相較于液氬噴射冷卻，本發(fā)明裝置裝配簡單，有更高的操作安全性，更低的維護(hù)成本，且從工件底部進(jìn)行冷卻有利于定向凝固組織豎直向上外延生長；相較于液氮冷卻，本發(fā)明不會造成工件整體激劇的冷卻效果進(jìn)而抑制定向凝固組織形成。通過使用本發(fā)明裝置進(jìn)行實驗測試，激光熔覆層中定向凝固組織方向性更好且體積分?jǐn)?shù)更大，達(dá)到定向凝固組織優(yōu)化生長的效果，保證了修復(fù)組織與工件原始組織的一致性，修復(fù)效果更佳。

附圖說明

圖1為已有的激光沉積液氬冷卻裝置工作原理圖；

圖2為已有的激光熔覆液氮冷卻裝置工作原理圖；

圖3為本發(fā)明的強制冷卻裝置工作原理示意圖；

圖4為本發(fā)明的強制冷卻裝置上部的俯視圖；

圖5為本發(fā)明的強制冷卻裝置上部的A-A剖視圖；

圖6為本發(fā)明的強制冷卻裝置上部的B-B剖視圖；

圖7為本發(fā)明的強制冷卻裝置下部的俯視圖；

圖8為本發(fā)明的強制冷卻裝置下部的A-A剖視圖；

圖9為本發(fā)明的強制冷卻裝置下部的B-B剖視圖；

圖10(a)為使用本發(fā)明的強制冷卻裝置進(jìn)行激光熔覆實驗得到的熔覆層組織圖；

圖10(b)為未使用本發(fā)明的強制冷卻裝置進(jìn)行激光熔覆實驗得到的熔覆層組織圖。

具體實施方式

由于在定向凝固合金激光熔覆過程中，提升凝固界面溫度梯度有利于形成占比更大的柱狀晶組織。因此，本發(fā)明考慮在工件底部附加強制冷卻裝置，提升熔覆過程中自下而上的溫度梯度，可以使所形成的定向凝固組織方向一致且體積分?jǐn)?shù)更大。

以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明提出的一種用于激光熔覆定向凝固合金的強制冷卻裝置詳細(xì)說明如下：

本發(fā)明提出的一種用于激光熔覆定向凝固合金的強制冷卻裝置，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，本發(fā)明適用于厚度t<20mm的工件。本裝置包括強制冷卻裝置上部和強制冷卻裝置下部，上、下兩部分通過螺紋連接，結(jié)合處安裝密封墊，強制冷卻裝置上、下部均為一體成型結(jié)構(gòu)；其中，強制冷卻裝置上部的俯視圖、A-A剖視圖、B-B剖視圖分別如圖4、5、6所示，包括上部主體1和位于上部主體1底部中心的散熱結(jié)構(gòu)3，在上部主體1中心開設(shè)與工件12尺寸相匹配的工件槽2，該工件槽2的深度小于上部主體1厚度，上部主體1上均勻設(shè)有用于安裝壓板的螺紋孔4，通過該壓板固定工件12、且防止激光熔覆過程中工件出現(xiàn)翹曲，上部主體1上還均勻設(shè)有用于連接強制冷卻裝置下部的螺紋孔5；強制冷卻裝置下部6的俯視圖、A-A剖視圖、B-B剖視圖分別如圖7、8、9所示，強制冷卻裝置下部6上表面中心開設(shè)與散熱結(jié)構(gòu)3尺寸相匹配的冷卻水通道7，該冷卻水通道兩端至強制冷卻裝置下部6兩側(cè)壁分別設(shè)有冷卻水通道入口8-1和冷卻水通道出口8-2，強制冷卻裝置下部6 上表面還均勻設(shè)有連接上部主體1的螺栓孔5。

下面對構(gòu)成本發(fā)明各部件的具體實現(xiàn)方式及功能詳細(xì)說明如下：

激光熔覆前將工件12裝卡在工件槽2中，冷卻過程中由于熱傳導(dǎo)為主要熱量傳遞方式，因此強制冷卻裝置上部需要選用導(dǎo)熱性好的金屬制作，如銀、銅、金和鋁，常見金屬中銀的導(dǎo)熱性最好，但是其價格昂貴且加工困難，優(yōu)選的紫銅是高純度銅，導(dǎo)熱性稍遜于銀但優(yōu)于金和鋁，且價格適中，本實施例采用紫銅制作強制冷卻裝置上部；強制冷卻裝置上部中用于安裝壓板的螺紋孔4沒有特定限制，可根據(jù)工件形狀及裝卡需求選擇合適尺寸，但深度不可超過上部主體1厚度；強制冷卻裝置上部的螺紋孔5沒有特定限制，用于強制冷卻裝置上部和下部的連接，但位置不可與散熱結(jié)構(gòu)3干涉。本實施例的工件12為矩形板狀結(jié)構(gòu)，該工件的長度為l mm、寬度為w mm、厚度為t mm，強制冷卻裝置上部的長度為(l+40)mm、寬度為(w×2+30)mm、高度為(t+7)mm，工件槽2的長度為(l+1)mm、寬度為(w+1)mm、深度為(t-1)mm，工件槽2底面至散熱結(jié)構(gòu)3頂面的距離為8mm。

所述散熱結(jié)構(gòu)3由多個等間距設(shè)置的散熱片構(gòu)成，工作時散熱片插入強制冷卻裝置下部6的冷卻水通道7中，各散熱片與流動的冷卻水(冷卻水可選用0℃的自來水)接觸，對流換熱為主要的熱量傳遞方式，故增加各散熱片的表面積有利于熱量傳遞，具體地，散熱片的尺寸可根據(jù)《電子散熱器技術(shù)手冊》中型材散熱器設(shè)計方法選取；本實施例散熱結(jié)構(gòu)3的長度與工件長度l相等、寬度為(w×2-3)mm，單個散熱片的厚度為3mm、高度為24mm，相鄰兩散熱片之間的凈距為3mm，散熱片的數(shù)量為w/3取整數(shù)并沿工件槽中心對稱布置。

所述強制冷卻裝置下部6的主要功能是提供與散熱結(jié)構(gòu)相配合的冷卻水通道，并導(dǎo)通冷卻水，可選用價格較低、導(dǎo)熱性較好且不易生銹的金屬，如：鋁合金和不銹鋼，本實施例采用鋁合金制作強制冷卻裝置下部；所述冷卻水通道7位于強制冷卻裝置下部6中心；所述冷卻水通道流入口、流出口(8-1和8-2)沿冷卻水通道7長度方向布設(shè)且分別位于冷卻水通道兩端中心處，冷卻水通道流入口、出口(8-1和8-2)內(nèi)部均裝配格林接頭，用于連接外部的冷卻入水、出水管(9、10)；強制冷卻裝置下部的螺紋孔5與冷卻裝置上部的螺紋孔5的位置和尺寸需要嚴(yán)格一致。本實施例強制冷卻裝置下部6的長度、寬度分別與強制冷卻裝置上部的長度、寬度相等，強制冷卻裝置下部的高度為30mm；本實施例冷卻水通道的長度、寬度及深度分別為(l+10)mm、(w×2+3)mm、25mm，冷卻水通道流入口和流出口均采用英制4分的螺紋孔。

本發(fā)明裝置的安裝及冷卻過程為：

將強制冷卻裝置上部散熱結(jié)構(gòu)3插入強制冷卻裝置下部冷卻水通道7，上、下兩部分通過螺紋孔5連接，結(jié)合處安裝密封墊；冷卻水通道入口、出口(8-1和8-2)裝配格林接頭，并與水管連接。

激光熔覆前，將工件12放入工件槽2，通過螺紋孔4安裝壓板固定工件，冷卻水由冷卻入水管9流入冷卻水通道入口8-1，流經(jīng)冷卻水通道7，冷卻水與冷卻水通道內(nèi)的散熱結(jié)構(gòu)3充分接觸后帶走散熱結(jié)構(gòu)的熱量，經(jīng)冷卻水通道出口8-2從冷卻出水管10流出，在保證冷卻水持續(xù)流入和流出后，打開激光11進(jìn)行激光熔覆，并在整個激光熔覆過程中持續(xù)導(dǎo)通冷卻水，在激光熔覆結(jié)束后，停止冷卻水流入，拆卸裝卡。

利用本發(fā)明強制冷卻裝置進(jìn)行激光熔覆實驗，得到熔覆層組織如圖10(a)所示，相較于圖10(b)未使用本發(fā)明強制冷卻裝置的熔覆層組織，本發(fā)明定向凝固生長的柱狀晶組織比例明顯增大，且方向一致豎直向上。

本發(fā)明強制冷卻裝置制作成本較低，可在實際應(yīng)用中有效提高定向凝固合金柱狀晶成形質(zhì)量，是一種有效提升定向凝固合金激光熔覆過程中凝固前沿溫度梯度的裝置。