修理單片葉片轉盤的方法,起始和終了測試片的製作方法
2023-05-27 21:25:06
專利名稱：修理單片葉片轉盤的方法,起始和終了測試片的製作方法
技術領域：
本發明涉及渦輪機領域，尤其涉及航空渦輪機，目的在於維修轉動葉片轉盤。
背景技術：
為了滿足引擎日益增加的性能要求，單片葉片轉盤或轉輪，稱之為「葉盤」，現在由鈦合金製成，用於渦輪引擎的壓縮器。在傳統的轉子中，葉片在其根部固定，安裝在轉盤邊上的支座上。因此，轉盤和葉片在安裝成葉片轉子前是分別製造的。在葉盤中，葉片和轉盤直接從鑄造的坯件加工而成，它們構成單個的部件。這種技術可以大大減小引擎總重，但同時大大增加製造成本。葉片根部的磨損和空腔不再存在。
但是，這種轉子具有難於維修的缺點。在工作中，由於通過引擎吸入外面物體造成的撞擊或通過引擎的氣流中帶來並與葉片表面接觸的塵土或其他微粒的腐蝕，壓縮機葉片可能遭到損壞。這些腐蝕或損壞如果本能根據製造商文件中說明的標準進行修復，就要更換一個或幾個有缺陷的葉片。在獨片葉片元件的情況下，不象傳統結構，葉片是大量部件的一個整體，它們不能為了維修單獨替換或拆除。需要直接在轉盤上維修缺陷部分。該維修因此必須考慮到元件的所有方面，尺寸、重量，在大型元件的情況下，要修理區域的可訪問性。
因此，在葉盤情況時，對於每個葉片而言，維修通常關心的區域是端部、前緣側的機翼角、後緣側的機翼角、前緣和後緣。葉片是所謂的三維設計，具有特別的特徵，形狀在三個方向變化，沿變化的輪廓厚度也不同。要修理的區間的最大程度由引擎的使用和這些元件承擔的空氣動力學負載。
現有的維修技術包括拆除受損葉片上的受損區域，然後用適合的形狀替換拆除的部分，或者用堆焊。為了拆除受損部分、不接觸檢查修復部分、超聲衝擊和使修復區域重新工作精加工，這些技術通常使用傳統機械加工操作。
本發明涉及通過堆焊來維修。
在一些使用特定合金的情況下，維修尤其難於進行，焊接這樣的合金會導致體缺陷。尤其是鈦合金Ti17。例如，該合金在美國專利申請EP 1 340 832中提到，該申請涉及一種由這種材料製成的產品，例如葉片。當進行堆焊時，傳統的和在航空工業中廣為使用的TIG或微等離子技術不允許鈦Ti17在允許獲得可接受的結果的條件下處理。
這些傳統堆焊技術導致形式缺陷。因此，與之所涉及到的很小的厚度相比，TIG堆焊使用了大量的能量，產生strain並導致大量孔狀的形式，如微孔或微氣泡，以及延伸的熱影響區(HAZ)。這些不以檢測的微孔，在機械性能上產生高達80％的削弱。這種對元件工作中行為的削弱是不可接受的，這種堆焊也不能應用。微等離子堆焊導致較小的HAZ形式，但它仍然相對很大。此外，該方法需要特別注意，對使用的設備和產品要進行周期性檢查，這樣沒有機器工作參數漂移或修改期望的結果。
專利US 6 568 077描述一種修複葉盤上葉片的方法，該方法中葉片受損部分先機械加工，然後在第一工作模式，失去的部分通過鎢極電弧焊接機(TIG)機。在第二種操作模式中，通過電子束焊接機焊接插入物。然後，通過適當的機械加工恢復葉片的輪廓。但是這種方法沒有提及當遇到特定的鈦合金時會遇到問題。
申請人發現通過應用雷射束使用堆焊技術避免了通常技術要遭遇的問題。尤其是，雷射堆焊以一種減小焊區缺陷的技術出現。
雷射堆焊早已廣為人知和廣為使用，例如需要生成金屬輪廓的應用，尤其是從CAD數據生成金屬輪廓的應用。壁厚在0.05mm到3mm間，且層高為0.05mm到1mm間。該技術使它可以很好地冶金結合在基材上。
雷射束堆焊技術具有如下優點熱流入相對時間恆定。熱量沒有時間在體內聚集並擴散，它在鈦的情況下幾乎不放出氣體而且強度的減小也很有限。此外，該項技術的可重複性和可靠性很好，一旦機器參數設定，控制就很容易了。
現在，在應用雷射技術時會同時加入填充材料並用雷射束輻射基材。該材料通常以粉末或金屬絲的形式堆在工作區。在其他方式中，它是以粉末方式使用適當的噴嘴噴進工作區。
發明內容
因此本發明的一個目的是使用堆焊技術維修單片葉片轉盤。
根據本發明，修理包括至少一個受損區的渦輪機單片葉片轉盤或葉盤的方法，通過在所述受損區使用焊接機堆積金屬，其包括的步驟有準備受損區，用金屬堆積該區，通過機械加工重新加工修理過的區域，其特徵在於——準備步驟包括機械加工受損區域，獲得一規定輪廓的待修理區；——在稱之為開始測試片的測試片上使用焊接機進行堆焊操作，該焊接機為雷射型機器，其操作參數已經預設；——堆焊後檢查測試片的質量；和，如果測試片的質量與修理可接受的標準一致，——待修理區域使用同樣的焊接機不改變操作參數進行堆積。
通過基於控制堆焊設備的能力，本發明具有允許單片葉片轉盤以工業規模進行維修的優點，堆焊設備中加熱靠雷射束完成。一旦設備被證實參數被設定，所需要作的事情就是通過先處理測試片，檢查參數正確且沒有漂移。令人驚奇的是，觀察發現該方法在維修象葉盤這樣複雜的元件時具有很大的可靠性。預先檢查足以保證許多同一轉盤上的葉片進行堆焊。
根據另一個特徵，為了以補充方式確保操作正確進行，在待修理的區域或各種要修理的連續區域堆焊後，該方法包括一被稱之為終了測試片的堆焊步驟和一檢查終了測試片質量的步驟。
當轉盤組成金屬是鈦合金，特別是Ti17時，該方法尤其適合。
堆焊金屬的種類不受限制，但最好堆焊的金屬是鈦合金，特別是Ti17或TA6V。
該方法應用於從葉片尖端、前緣或後緣角部以及前緣或後緣中至少一個待修理的區域。
根據另外一個特徵，該修理葉盤的方法包括一調整堆焊設備的步驟，在該步驟中，參數預設好，通過堆焊一調整測試片，隨後的是無創或創傷檢測堆焊質量。
特別地，調整測試片具有與待維修轉盤的機翼前緣或後緣區域的輪廓相一致的輪廓。該檢測包括疲勞測試，疲勞測試在測試樣本上進行，測試樣本由經歷了堆焊的測試片機械加工而成。
本發明還涉及用於執行該方法的起始或終了測試片。其特徵為它由鈦合金製成，其形狀仿照帶有密封條的機翼尖端。
本發明還涉及用於執行該方法的起始或終了測試片，由鈦合金製成，其形狀仿照與預定模型一致的機翼尖端的前緣或後緣角部。
參照附圖，本方法將被說明的更為詳細，其中圖1是單片葉片轉盤的局部圖；圖2a和圖2b所示為用於執行本發明方法維修機翼尖端的起始和終了測試片的正視圖和側視圖；圖3a和圖3b所示為用於執行本發明方法維修機翼尖端角部的起始和終了測試片的正視圖和側視圖；圖4所示為雷射堆焊噴嘴的縱向剖面圖；圖5所示為用於調整雷射堆焊設備的機械屬性證實測試片；圖6所示為堆焊後的圖5所示的測試片；圖7所示為從圖6堆焊測試片上切下的循環疲勞測試樣本。
具體實施例方式
圖1是單片葉片轉盤1的一部分。葉片3在徑向且繞著轉盤5的外圍分布。該裝置為單片裝置，也就是說它要麼是由單個坯料機械加工製成，要麼是焊接至少其部分元件而成。特別地，葉片不是通過可拆下的機械手段連接到轉盤上。易於受損的區域是前緣31、後緣32、前緣角33、後緣角34和機翼尖部線35，如大家所知的那樣，它設有很薄的部分，構成密封條。
觀察到的損傷取決於區域位置。例如在前緣、後緣或機翼角，損傷可能是由於異體的衝擊造成的材料損失或裂縫。在機翼尖部，損傷多是由於與引擎殼體摩擦造成的磨損。出於經濟和工業原因，要求標準化修理轉盤的操作。因此，檢查是否維修可行後，在受損區域執行標準化維修操作。維修與否的決定取決於暴露出故障的大小和程度。
根據損傷的區域，按這樣的方式移除一定量的材料，幾何形狀、尺寸和需要維修的區域面總是相同。成形操作由機械加工完成，尤其是使用適當的工具在一定範圍內磨銷加工，確保表面光潔度與堆焊質量兼容。
然後，接受填充金屬的焊接表面以機械方式或化學方式清潔。該清潔要根據基材材料而定。這在鈦合金Ti17的情況下尤其重要，或者合金TA6V。
堆焊起始測試片。圖2a和圖2b所示為與堆焊機翼尖端相應的測試片10。該測試片呈矩形形狀，厚度和長度恆定，例如為44mm，它具有與待維修的區域共有的特徵——它最好由同種材料製成；——它具有同樣的表面、幾何、熱和金屬特徵。
圖2b側面圖示了葉片邊緣，其幾何形狀與機翼尖端在待修理區機械加工後的形狀相同。該尖端包括彎曲形狀的部件12和代表在葉片(radiasing)起始端的密封條基部的部件14。厚度為機翼尖端的厚度。
圖3a和圖3b所示為用於維修機翼尖前緣或後緣角部的測試片。測試片20為一厚度恆定的矩盤。盤被切成輪廓22，機械加工機翼尖端角部後，該輪廓與待維修的區域的輪廓相同。該輪廓包括一靠近機翼尖端與前緣或後緣平行的平直部件22a。平直部件22a通過在前緣或後緣終止的彎曲部件22b延伸出來。測試片20具有一整體第一根部24和第二根部26，第一根部24代表著部件22b與機翼的前緣或後緣的連接，第二根部26代表著部件22a與機翼尖端的連接。
圖4所示為一雷射堆焊噴嘴。該噴嘴具有進給金屬粉末的通道，該金屬粉末將沿雷射束髮射軸被堆置在要維修的區域。光束導向部件，金屬粉末M由氣流G帶入光柵燒熱的區域。
噴嘴沿要維修的區域來回移動，逐漸地堆起堆積材料堆，並由雷射束熔化。堆焊以恆定速度和強度進行，即使是沿部件的厚度有所不同。
特別為了限制內部變形和機械再加工以及熱影響區(HAZ)的程度，對參數進行調整。在堆焊中需要考慮的參數為——位於表面上方的雷射束(最好是YAG雷射)焦點的高度；——頭30的前進速度；——光束的應用能量；——所使用的粉末(Ti17或TA6V)該粉末不必與基材為同樣的金屬，它的微粒尺寸，其最好在30μm到100μm，以及它的焦點；和——攜帶氣體或封閉氣體的特性，最好為氦氣或氬氣。
所使用的噴嘴的類型提前確定。速度和能量取決於所使用的機器類型。
特別地，在鈦Ti17的情況下，為了避免在體內出現多孔，觀察發現參數變化必須不超過±5％。
堆焊層的連貫性、它們的厚度和寬度要進行視覺檢查。其目的是為了探測氧化痕跡，氧化痕跡將會導致由於封閉了氣體而形成的低下防護、結合欠缺、裂痕(在雙目顯微鏡下)和未溶化的材料。
當堆焊測試片被認為是好的時，機器參數就被證實。允許有5％的變化。
接下來的步驟是在單個部件或多個部件上維修待堆焊的區域，視情況不同而定。對所有基於同類區域和與測試片類型一致的準備好的區域進行維修。
對堆焊好的區域進行簡單的視覺檢查。這是因為不可能採取破壞性檢查技術或需要很多空間的技術，這在葉盤上是行不通的。
終了測試片在與前目步驟同樣的焊接條件下進行，以獲得代表葉盤的葉片上所作的維修的結果。
在終了測試片上進行的檢查允許目標葉盤的維修被證實或被證否。該檢查包括冶金鑑定，搜查氣泡，氣泡是由金屬釋放出的氣體構成的孔穴。在Ti17鈦的情況下，微氣泡小到5μm到100μm，不可能通過單純X光照片檢查出。在冶金鑑定中觀察到的微孔密度是接受維修的最重要的因素。
一旦堆焊完成，進行熱處理和機械再加工來完成維修。這些操作都是傳統操作。
應該注意在熱處理過程中需要特別小心，以免產生汙垢。
本發明還涉及用於執行堆焊維修方法的雷射焊接設備的證實。這是因為，在使用一個機器並用它通過堆焊維修葉盤前，必須執行一過程，調整焊接參數。
根據本發明的另外一個特徵，調整操作通過在所謂的調整測試片上進行。圖5到7中所示的這些測試片50使之成為可能——在無氧情況下進行視覺檢查，並測量堆焊的幾何形狀；——在機械加工後，經過或不經過熱處理，通過無創和創傷測試，如染料滲透測試和顯微圖切面，來評估堆焊的冶金質量；——在機械加工和熱處理後，以機械屬性來標定雷射堆焊的Ti17材料特點，即通過循環疲勞測試(HCF)。
最好使用從鑄造坯料得到的條，因為它具有與要使用該裝置維修的葉盤同樣特性的纖維方向。
帶有切口凹陷52的平行立面體條50被堆焊，以構成待修理的區域，凹陷52具有與從機翼前緣或後緣受損區域切下的腔穴一致的輪廓幾何形狀。條要比機翼寬。凹陷52通過要證實的裝置堆焊。由於條的寬度，堆焊穿過各層進行。當焊接完成後，如圖6所示，考慮到不會有什麼後果，可能有些地方會伸出，從條上切下薄片56。薄片56，如圖6陰影所示，包含堆焊部分54。圖7所示的薄片56，它被機械加工以獲得中心部分56a，形成與堆焊區配合的條。在其中心部分，條56a的全部厚度由堆焊材料組成。在條56a的兩端，寬突出部分56b組成由機器爪抱緊的突出部分，循環疲勞測試將在該機器上進行。
當對測試片的測試令人滿意，就認為設備的調整完成了。然後就可進行葉盤維修程序了。在兩個葉盤維修程序間，不需要再執行設備調整的程序。只要證明起始和終了測試片帶來了令人滿意的堆焊結果就足夠了。
權利要求
1.一種修理渦輪機單片葉片轉盤或葉盤的方法，單片葉片轉盤或葉盤包括至少一個受損區，通過在所述受損區使用焊接機堆積金屬，其包括的步驟有準備受損區，用金屬堆積該區，通過機械加工重新加工修理過的區域，其特徵在於——準備步驟包括機械加工受損區域，獲得一規定輪廓的待修理區；——在稱之為開始測試片的測試片上使用焊接機進行堆焊操作，該焊接機為雷射型機器，其操作參數已經預設；——堆焊後檢查測試片的質量；和，如果測試片的質量與修理可接受的標準一致——待修理區域使用同樣的焊接機不改變操作參數進行堆積。
2.如權利要求1所述的方法，在待修理的區域或各種要修理的連續區域堆焊後，其包括一被稱之為終了測試片的堆焊步驟，該終了測試片與初始測試片相同，和一檢查終了測試片質量的步驟。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中轉盤的組成金屬是一種鈦合金，特別是Ti17或TA6V。
4.如前面權利要求所述的方法，其中堆焊金屬是一種鈦合金，特別是Ti17或TA6V。
5.如權利要求1所述的方法，其中受損區位於機翼尖端。
6.如權利要求1所述的方法，其中受損區是機翼前緣或後緣的角部。
7.如權利要求1所述的方法，其中受損區位於機翼前緣或後緣。
8.如前面一條權利要求所述的方法，其中堆焊步驟通過雷射束熔化填充金屬完成。
9.如前面一條權利要求所述的方法，其中轉盤至少具有兩個受損區，所述兩區域在對起始測試片處理後進行修理。
10.如前面一條權利要求所述的修理單片葉片轉盤的方法，其包括通過堆焊調整測試片來調整堆焊設備參數的步驟，在該步驟中先設定參數，接下來是無創和/或有創測試，以檢查堆焊的質量。
11.如前條權利要求所述的方法，其中測試片具有所述轉盤的機翼的前緣或後緣的要堆焊的區域輪廓。
12.如前條權利要求所述的方法，其中檢測包括在堆焊步驟後從測試片上加工下來的測試樣本上進行的疲勞測試。
13.如權利要求10所述的方法，其中調整測試片從鍛造葉盤坯料上切下。
14.用於執行權利要求1和4所述方法的起始和終了測試片，其形狀仿照帶有密封條的機翼的尖部。
15.用於執行權利要求1和5所述方法的起始和終了測試片，其形狀仿照與所述預定模型一致的機翼的前緣或後緣角部。
全文摘要
本發明涉及一種修理渦輪機獨片葉片轉盤或葉盤的方法，渦輪機獨片葉片轉盤或葉盤包括至少一個受損區，通過在所述受損區使用焊接機堆積金屬，其包括的步驟有準備受損區，用金屬堆積該區，通過機械加工重新加工修理過的區域，其特徵在於準備步驟包括機械加工受損區域，獲得一規定輪廓的待修理區；在稱之為開始測試片的測試片上使用焊接機進行堆焊操作，該焊接機為雷射型機器，其操作參數已經預設；堆焊後檢查測試片的質量；和，如果測試片的質量與修理可接受的標準一致；待修理區域使用同樣的焊接機不改變操作參數進行堆積。本發明還涉及起始或終了測試片和證實設備的測試片。
文檔編號B23P6/00GK1864906SQ20061005792
公開日2006年11月22日 申請日期2006年2月27日 優先權日2005年2月25日
發明者博納德·博伊特, 格哈德·德裡恩, 斯坦弗尼·麥可·科內斯, 克勞德·安德魯·查爾斯·派格諾, 埃裡克·克裡斯汀·讓·皮託 申請人:斯奈克瑪, 斯奈克瑪服務公司