一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法

摘要

本发明涉及以钛铝金属间化合物合金为材料铸造成型缺陷修补领域，具体为一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，尤其是铸造制备大尺寸、变壁厚、复杂构型盘件的局域裂纹、疏松、缩孔、缺肉等缺陷区，采用激光熔焊本体材料对铸造Ti3Al系合金盘件进行修补，以Ti3Al系合金细棒或粉末为焊补材料，用聚焦的激光束为热源，将Ti3Al系合金焊补材料直接熔焊到处在一定预热温度下的Ti3Al系合金铸造盘件上某种缺陷已清理除去的区域，激光束连续振动扫描熔焊直至完成整个缺陷区域修补。本发明可以有效解决低塑高脆性Ti3Al系合金盘件近等强度熔焊成型问题，使大而复杂结构的Ti3Al系合金盘件铸造生产成品率提高和为该件服役维修提供保障，也可使Ti3Al系合金拼焊连接成型。

权利要求

1.一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，其特征在于，对铸造的Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复，激光焊补修复过程是指：以Ti3Al系合金的丝、棒或粉末为焊补材料，采用聚焦激光束为热源，将Ti3Al焊补材料直接熔焊沉积到处于一定预热温度下的Ti3Al系合金铸造盘件上的某种缺陷已被清理除去的区域，在氩气保护下激光束振荡扫描熔焊直至完成整个缺陷区域的焊补，随后辅以应力退火处理；

铸造Ti3Al系合金盘件的直径为Φ100～Φ1000mm，从外缘到中心台阶式减薄，存在夹层结构，最薄处2mm，铸造Ti3Al系合金盘件的铸造缺陷为穿透性与未穿透性裂纹、疏松、气孔、砂眼或缺肉；

采用的聚焦激光束的焦距为100mm～600mm，聚焦方法为内透镜聚焦或外抛物镜聚焦，激光波长为10.6μm或1.06μm，平均光功率200w～6000w，光束摆动振幅为1.0mm～15mm，频率

0～10Hz，熔焊速度0.5mm/s～15mm/s，补焊区的500gf努氏显微硬度HK为250～350MPa；

盘件缺陷激光焊补好后，进行应力退火处理，在真空炉或保护气氛炉中进行，炉温700℃～1200℃，保温时间为1小时～4小时，炉冷到室温；

按原子百分比计，铸造盘件及修复用焊补材料的Ti3Al系合金的成份如下：Al 10～26；

Nb 0～17；Mo 0～2；V 0～4；Ti余量。

2.按照权利要求1所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，其特征在于，在修复前采用机械方法清理除去铸造缺陷，随后将盘件整体预热到250℃～750℃，保温0.5～

4小时；盘件的整体预热采用加热炉或热砂子或远红外加热源。

3.按照权利要求1所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，其特征在于，Ti3Al系合金盘件缺陷的焊补材料为Ti3Al系合金丝、棒或粉末，丝或棒为Ti3Al铸块线切割后经机械打磨而制备，粉末为氩气雾化制备，焊补材料与盘件在化学组成上完全相同或相近；在激光熔焊沉积过程中，Ti3Al系合金丝、棒或粉末的跟随喂送方法为手动或自动。

4.按照权利要求1所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，其特征在于，Ti3Al系合金铸造盘件铸造缺陷激光熔焊Ti3Al焊补材料进行本体材料近等强度修复的修复加工过程为：⑴铸造盘件喷砂清理→⑵对壁厚陡变处进行光整→⑶光整处渗透检测→⑷清理缺陷区→⑸盘件工装定位并预热→⑹激光聚焦对中→⑺添加焊补材料激光辐照焊补→⑻修磨焊补区→⑼渗透+X光探伤→⑽去应力热处理→⑾修复区精加工→⑿热等静压→⒀调质热处理。

说明书

一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法

技术领域

[0001] 本发明涉及以钛铝金属间化合物合金为材料铸造成型缺陷修补领域，具体为一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法。

背景技术

[0002] Ti-Al系金属化合物，如：Ti3Al、TiAl等，具有密度低、强度高、高温强度高、抗氧化性强和弹性模量高等优点，对航空航天飞行器有重要意义，国内外都在积极发展与应用。目前，Ti3Al系合金已用作高压压气机机匣、高压涡轮支撑环、导弹尾翼和燃烧室喷管密封片等，美国已批量生产，在我国Ti3Al系合金常温塑性很低(仅有1～2％延伸率)一直是该合金件铸造成型与熔焊连接关键困难问题。

[0003] Ti3Al系合金盘形件，如：上述高压压气机机匣、高压涡轮支撑环和本发明实施例所述的高压压气机涡轮盘等，这些盘件尺寸较大，形状结构较复杂，Ti3Al系合金又脆而难机加工成型，故目前采用铸造+热等静压(HIP)制造工艺。由于盘件不等壁厚并常突变，厚度差异较明显与夹层结构等，导致铸件经常发生裂纹、气孔、疏松、缺肉(尺寸不足)等不同形式缺陷，这些缺陷的存在不仅使HIP加工难以实施，而且直接影响盘件的使用性能与寿命。

发明内容

[0004] 本发明目的在于提供一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，解决低塑性Ti3Al系合金盘件铸造生产的成品率问题。

[0005] 本发明的技术方案是：

[0006] 一种铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，对铸造的Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复，激光焊补修复过程是指：以Ti3Al系合金的丝、棒或粉末为焊补材料，采用聚焦激光束为热源，将Ti3Al焊补材料直接熔焊沉积到处于一定预热温度下的Ti3Al系合金铸造盘件上的某种缺陷已被清理除去的区域，在氩气保护下激光束振荡扫描熔焊直至完成整个缺陷区域的焊补，随后辅以应力退火处理。

[0007] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，铸造Ti3Al系合金盘件的直径为Φ100～Φ1000mm，从外缘到中心台阶式减薄，存在夹层结构，最薄处2mm，铸造Ti3Al系合金盘件的铸造缺陷为穿透性与未穿透性裂纹、疏松、气孔、砂眼或缺肉。

[0008] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，在修复前采用机械方法清理除去铸造缺陷，随后将盘件整体预热到250℃～750℃，保温0.5～4小时；盘件的整体预热采用加热炉或热砂子或远红外加热源。

[0009] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，Ti3Al系合金盘件缺陷的焊补材料为Ti3Al系合金丝、棒或粉末，丝或棒为Ti3Al铸块线切割后经机械打磨而制备，粉末为氩气雾化制备，焊补材料与盘件在化学组成上完全相同或相近；在激光熔焊沉积过程中，Ti3Al系合金丝、棒或粉末的跟随喂送方法为手动或自动。

[0010] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，采用的聚焦激光束的焦距为100mm～600mm，聚焦方法为内透镜聚焦或外抛物镜聚焦，激光波长为10.6μm或1.06μm，平均光功率200w～6000w，光束摆动振幅为1.0mm～15mm，频率0～10Hz，熔焊速度0.5mm/s～15mm/s，补焊区的500gf努氏显微硬度HK为250～350MPa。

[0011] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，盘件缺陷激光焊补好后，进行应力退火处理，在真空炉或保护气氛炉中进行，炉温700℃～1200℃，保温时间为1小时～4小时，炉冷到室温。

[0012] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，按原子百分比计，铸造盘件及修复用焊补材料的Ti3Al系合金的成份如下：Al 10～26；Nb 0～17；Mo0～2；V 0～4；Ti余量。

[0013] 所述的铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，Ti3Al系合金铸造盘件铸造缺陷激光熔焊Ti3Al焊补材料进行本体材料近等强度修复的修复加工过程为：⑴铸造盘件喷砂清理→⑵对壁厚陡变处进行光整→⑶光整处渗透检测→⑷清理缺陷区→⑸盘件工装定位并预热→⑹激光聚焦对中→⑺添加焊补材料激光辐照焊补→⑻修磨焊补区→⑼渗透+X光探伤→⑽去应力热处理→⑾修复区精加工→⑿热等静压→⒀调质热处理。

[0014] 本发明的设计思想是：

[0015] 本发明对铸造Ti3Al系合金盘件进行激光熔焊修补，以Ti3Al系合金丝、棒或粉末为焊补材料，用聚焦的激光束为热源，将Ti3Al系合金焊补材料直接熔焊到处在一定预热温度下的Ti3Al系合金铸造盘件上某种缺陷已清理除去的区域，激光束连续振动扫描熔焊直至完成整个缺陷区域修补。采用本发明使大而复杂结构的Ti3Al系合金盘件铸造生产成品率提高和为该件服役维修提供保障，也可使Ti3Al系合金拼焊连接成型，尤其是铸造制备大尺寸、变壁厚、复杂构型零部件如盘件的局域裂纹、疏松、缩孔、缺肉等缺陷区，采用激光熔焊本体材料修补可以有效解决低塑高脆性Ti3Al系合金盘件近等强度熔焊成型问题。

[0016] 本发明的优点及有益效果是：

[0017] Ti3Al系合金将以其高的比强度，高的抗氧化性与高温力学性能等特征在航空航天飞行器等领域受到日益广泛重视与创新应用，该合金常温下不足的塑性与不易加工性问题也同样受到广泛关注，采用本发明Ti3Al系合金铸造盘件缺陷激光焊补工艺方法，可以实现大而复杂结构Ti3Al系合金盘件铸造成型生产，并且具备如下特点：

[0018] (1)盘件无变形，按上述修复工艺过程之后无明显焊补界线。

[0019] (2)焊补区化学成份与基体一致，具有与基体一致的化学物理性能。

[0020] (3)盘件可以方便地进行热等静压致密化处理。

[0021] (4)聚焦激光头可以采用关节臂机械手操作，可自动控制，方便安全。

具体实施方式

[0022] 在具体实施方式中，本发明铸造Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复方法，对铸造的Ti3Al系合金盘件缺陷激光焊补修复，激光焊补修复过程是指：以Ti3Al系合金的丝、棒或粉末为焊补材料，采用聚焦激光束为热源，将Ti3Al焊补材料直接熔焊沉积到处于一定预热温度下的Ti3Al系合金铸造盘件上的某种缺陷已被清理除去的区域，在氩气保护下激光束振荡扫描熔焊直至完成整个缺陷区域的焊补，随后辅以应力退火处理。Ti3Al系合金铸造盘件铸造缺陷激光熔焊Ti3Al焊补材料进行本体材料近等强度修复的修复加工过程为：⑴铸造盘件喷砂清理→⑵对壁厚陡变处进行光整→⑶光整处渗透检测→⑷清理缺陷区→⑸盘件工装定位并预热→⑹激光聚焦对中→⑺添加焊补材料激光辐照焊补→⑻修磨焊补区→⑼渗透+X光探伤→⑽去应力热处理→⑾修复区精加工→⑿热等静压(HIP)→⒀调质热处理，其中：

[0023] (1)铸造Ti3Al系合金盘件的铸造缺陷主要为穿透性与未穿透性裂纹、疏松、气孔、砂眼或缺肉等，在修复前采用机械方法清理除去，随后将盘件整体预热到250℃～750℃，保温0.5～4小时。盘件的整体预热可以采用加热炉，也可用热砂子，也可以采用远红外等加热源。

[0024] (2)Ti3Al系合金盘件缺陷的焊补材料为Ti3Al系合金丝、棒或粉末，丝或棒为Ti3Al铸块线切割后经机械打磨而制备，粉末为氩气雾化制备，焊补材料与盘件在化学组成上完全相同或相近。在激光熔焊沉积过程中，Ti3Al系合金丝、棒或粉末的跟随喂送方法为手动或自动。

[0025] (3)采用的聚焦激光束的焦距为100mm～600mm，聚焦方法为内透镜聚焦或外抛物镜聚焦，激光波长为10.6μm或1.06μm，平均光功率200w～6000w，光束摆动振幅为1.0mm～15mm，频率0～10Hz(优选为5～5Hz)，熔焊速度0.5mm/s～15mm/s，补焊区的努氏显微硬度为HK(500gf)250～350MPa。

[0026] (4)盘件缺陷激光焊补好后，需进行应力退火处理，在真空炉或保护气氛炉中进行，炉温700℃～1200℃，保温时间为1小时～4小时，炉冷到室温。

[0027] 按原子百分比计，铸造盘件及修复用焊补材料的Ti3Al系合金的成份可以如下：Al 10～26；Nb 0～17；Mo 0～2；V 0～4；Ti余量。

[0028] 下面通过实施例对本发明进一步详细说明。

[0029] 实施例1

[0030] 某材料研究所在研制的新型航空发动机Ti3Al高压压气机涡轮盘，盘外径尺寸为Φ600mm～Φ800mm，外轮缘厚度60mm，调幅板厚度仅为2～3mm，中心孔尺寸为Φ200mm～Φ300mm，在外轮缘与中心孔之间同时存在一个夹层，在夹层与单层之间R弧过渡区等结构比较复杂。盘件离心浇注成型，但经常在此R过渡区产生诸如长短、粗细不一的裂纹、气孔、疏松、夹杂和缺肉，同样的缺陷在盘其他区域也偶然发生。显然，这些缺陷存在不能进一步进行HIP致密化，盘件面临报废。由于裂纹形状不规则，深浅不一，气孔、夹杂与疏松缺陷既在表面又在内部深处，将他们打磨除去，所形成的焊补坡口大小、深浅、位向各不相同，采用目前现有的Ti3Al系合金钎焊、摩擦焊以及电子束真空焊均很难获得有效解决。

[0031] 本发明修复上述Ti3Al系合金盘件的加工流程为：⑴抛磨→⑵喷砂→⑶超声清洗→⑷渗透荧光检测→⑸示踪打磨除缺陷→⑹对照X光底片依网格编序打磨 除去内部缺陷→⑺检测残余缺陷→⑻修整打磨坑以利于激光焊补→⑼丙酮清洗→⑽将盘件安放定位在专用工装夹具上→⑾放入专用加热炉中→⑿向炉中通入氩气→⒀随炉加热升温到300℃保温2小时→⒁机械手移动聚焦激光头到设计位置→⒂可见激光引导定位，焊补材料粉末预置在待焊补区→⒃激光辐照，辐照参数与辐照路径之前已试验优化(如：采用激光波长1.06μm，平均光功率500W，内透镜聚焦，焦距300mm，光斑直径Φ2mm，光束摆动振幅变动范围1mm～5mm，频率2～5Hz)，熔焊速度3mm/s，补焊区的努氏显微硬度为HK(500gf)280MPa→⒄焊后随炉升温到1000℃，保温3小时，炉冷至室温→⒅盘件出炉打磨补焊区，渗透、荧光检查→⒆HIP→⒇X光检查。

[0032] 采用本发明工艺方法，已配合某材料研究所研制出五个合格Ti3Al系合金盘件。

[0033] 比较例

[0034] 某材料研究所原研制Ti3Al系合金盘件的设计工序为：离心浇铸→热等静压→标准热处理→精加工，由于盘件上存在局域缺陷不能进入下道工序。目前的Ti3Al系合金盘件的正常生产工序为：离心浇铸→缺陷焊补→热等静压→标准热处理→精加工→合格产品。由于盘件存在不同形式缺陷，这些缺陷采用Ti3Al系合金钎焊、摩擦焊以及电子束真空焊比较困难，不仅使HIP加工难以实施，而且直接影响盘件的使用性能与寿命。

[0035] 实施例和比较例结果表明，诸如新型高推比航空发动机和航天飞行器拟将应用的涡轮盘件，其壁厚变化大和夹层复杂结构等特点导致铸造成型困难，裂纹、气孔、疏松、缺肉易产生，采用本发明激光焊补修复工艺可以获得满意的效果。本发明技术对于大型Ti3Al系合金盘件的制造有实际意义，同时对Ti3Al系合金件的相互熔焊连接组合也有实际意义。