[发明专利]一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置

说明书

技术领域

本发明属于航空发动机涡轮叶片激光成形与修复技术领域，尤其涉及一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置。

背景技术

航空发动机被称为飞机的心脏，为飞行提供动力，可以说发动机的动力和稳定性很大程度上是当下评价飞机性能优劣的一个标准，而航空发动机涡轮叶片是发动机性能的保证。目前，先进的航空发动机对于涡轮叶片在高温高压下工作能力提出了很高的要求。

为了适应高温高压的工作环境，位于航空发动机热端的涡轮叶片多使用以镍基为主的定向凝固高温合金。镍基定向凝固高温合金涡轮叶片制造成本很高，由于叶片长期在高温高压环境下服役，因此常常会出现裂纹、磨损等损伤。目前，针对镍基定向凝固高温合金叶片损伤的修复多以激光熔覆的方法。激光熔覆技术发展于上世纪70年代，其基本原理是以激光作为热源，将熔覆材料烧结至基材表面薄层，使熔覆材料与基材冶金结合形成熔覆层。由于激光能量集中，在工艺过程中与基材表面作用时间短，因此具有热影响区小、热变形小、稀释率低等优点。为了满足当前定向凝固高温合金叶片的修复要求，修复组织需在原有基材组织生长方向的基础上外延定向生长形成定向凝固组织。国内外已有学者研究发现，定向凝固组织的生长取决于凝固界面前沿温度梯度(G)与凝固速率(V)的比值(G/V)。当G/V大于某临界值(该临界值与合金组分相关)时，定向凝固组织为定向生长的柱状晶。因此，提升激光熔覆过程中凝固界面前沿的温度梯度有利于定向凝固组织的生长，得到体积分数更大的定向凝固组织对于高温合金涡轮叶片的修复工作有着重要意义。

调整激光工艺参数可以一定程度上改变凝固界面前沿的温度梯度，此外，在激光熔覆过程中附加一定的冷却措施，也可有效提升温度梯度。

西安交通大学贺斌等，在对基材进行激光沉积成形过程中使用液氩冷却装置辅助改变凝固过程中凝固界面前沿的温度梯度。该装置整体结构如图1所示，该装置由液氩输送管01、液氩储罐02、连接件04和液氩喷嘴05构成，使用连接件04将两个液氩喷嘴05分别安装固定在激光头03两侧，并用液氩输送管01将液氩喷嘴05和液氩储罐02连接。06为沉积层，07为基材宽度截面，工作时先沿基材长度方向进行激光沉积，然后停止激光，通过液氩喷嘴喷射液氩对金属已沉积部分两侧进行冷却，再停止冷却进行激光沉积，激光沉积过程和冷却过程依次交替进行直至达到预先设定的沉积层06高度后停止。采用该冷却装置可以得到连续的柱状晶，但是存在两个问题：一是冷却施加在沉积层两侧，导致柱状晶生长方向偏向施加冷却的两个壁面，而非沿竖直向上外延生长；二是激光沉积与冷却交替进行，沉积速率较低。

上海交通大学张尧成等，在激光熔覆镍基高温合金过程中使用了一种液氮冷却装置，该装置整体结构如图2所示，该装置由液氮容器004，液氮005和基材支架006构成。基材支架支撑于容器底部，将基材003放置在基材支架006上，并使基材表面以下部分浸泡在装有液氮的容器中，开启激光001进行激光熔覆，形成熔覆层003。使用液氮冷却虽然可以提升熔覆过程凝固界面前沿的温度梯度(G)，但是由于对工件整体激剧的冷却效果会更大程度地提升凝固速率(V)，反而抑制定向凝固组织形成，所以成形组织多为细密无方向性的等轴晶组织。此装置适用于不要求形成定向凝固组织的高温合金激光熔覆，无法促进定向凝固组织的形成。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提供一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置。本发明装置可在激光熔覆过程中快速降低工件底部温度，提升凝固界面前沿温度梯度，并在实验测试中得到方向性一致、体积分数更大的定向凝固柱状晶组织。

本发明提出的一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置，适用于厚度小于20mm的工件，本装置包括强制冷却装置上部和强制冷却装置下部，上、下两部分通过螺纹连接，结合处安装密封垫，强制冷却装置上、下部均为一体成型结构；其中，所述强制冷却装置上部包括上部主体和位于上部主体底部中心的散热结构，在上部主体中心开设与工件尺寸相匹配的工件槽，该工件槽的深度小于上部主体厚度，上部主体上均匀设有用于安装压板的螺纹孔，通过该压板固定工件，上部主体上还均匀设有用于连接强制冷却装置下部的螺纹孔；所述强制冷却装置下部上表面中心开设与散热结构尺寸相匹配的冷却水通道，该冷却水通道两端至强制冷却装置下部两侧壁分别设有冷却水通道入口和冷却水通道出口，强制冷却装置下部上表面还均匀设有连接上部主体的螺栓孔。

所述散热结构由多个等间距设置的散热片构成。