一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置的制作方法

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。

技术实现要素：

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。

本发明特点及有益效果：相较于液氩喷射冷却，本发明装置装配简单，有更高的操作安全性，更低的维护成本，且从工件底部进行冷却有利于定向凝固组织竖直向上外延生长；相较于液氮冷却，本发明不会造成工件整体激剧的冷却效果进而抑制定向凝固组织形成。通过使用本发明装置进行实验测试，激光熔覆层中定向凝固组织方向性更好且体积分数更大，达到定向凝固组织优化生长的效果，保证了修复组织与工件原始组织的一致性，修复效果更佳。

附图说明

图1为已有的激光沉积液氩冷却装置工作原理图；

图2为已有的激光熔覆液氮冷却装置工作原理图；

图3为本发明的强制冷却装置工作原理示意图；

图4为本发明的强制冷却装置上部的俯视图；

图5为本发明的强制冷却装置上部的A-A剖视图；

图6为本发明的强制冷却装置上部的B-B剖视图；

图7为本发明的强制冷却装置下部的俯视图；

图8为本发明的强制冷却装置下部的A-A剖视图；

图9为本发明的强制冷却装置下部的B-B剖视图；

图10(a)为使用本发明的强制冷却装置进行激光熔覆实验得到的熔覆层组织图；

图10(b)为未使用本发明的强制冷却装置进行激光熔覆实验得到的熔覆层组织图。

具体实施方式

由于在定向凝固合金激光熔覆过程中，提升凝固界面温度梯度有利于形成占比更大的柱状晶组织。因此，本发明考虑在工件底部附加强制冷却装置，提升熔覆过程中自下而上的温度梯度，可以使所形成的定向凝固组织方向一致且体积分数更大。

以下结合附图及具体实施例对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详细说明如下：

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，整体结构如图3所示，本发明适用于厚度t<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，强制冷却装置上部的俯视图、A-A剖视图、B-B剖视图分别如图4、5、6所示，包括上部主体1和位于上部主体1底部中心的散热结构3，在上部主体1中心开设与工件12尺寸相匹配的工件槽2，该工件槽2的深度小于上部主体1厚度，上部主体1上均匀设有用于安装压板的螺纹孔4，通过该压板固定工件12、且防止激光熔覆过程中工件出现翘曲，上部主体1上还均匀设有用于连接强制冷却装置下部的螺纹孔5；强制冷却装置下部6的俯视图、A-A剖视图、B-B剖视图分别如图7、8、9所示，强制冷却装置下部6上表面中心开设与散热结构3尺寸相匹配的冷却水通道7，该冷却水通道两端至强制冷却装置下部6两侧壁分别设有冷却水通道入口8-1和冷却水通道出口8-2，强制冷却装置下部6 上表面还均匀设有连接上部主体1的螺栓孔5。

下面对构成本发明各部件的具体实现方式及功能详细说明如下：

激光熔覆前将工件12装卡在工件槽2中，冷却过程中由于热传导为主要热量传递方式，因此强制冷却装置上部需要选用导热性好的金属制作，如银、铜、金和铝，常见金属中银的导热性最好，但是其价格昂贵且加工困难，优选的紫铜是高纯度铜，导热性稍逊于银但优于金和铝，且价格适中，本实施例采用紫铜制作强制冷却装置上部；强制冷却装置上部中用于安装压板的螺纹孔4没有特定限制，可根据工件形状及装卡需求选择合适尺寸，但深度不可超过上部主体1厚度；强制冷却装置上部的螺纹孔5没有特定限制，用于强制冷却装置上部和下部的连接，但位置不可与散热结构3干涉。本实施例的工件12为矩形板状结构，该工件的长度为l mm、宽度为w mm、厚度为t mm，强制冷却装置上部的长度为(l+40)mm、宽度为(w×2+30)mm、高度为(t+7)mm，工件槽2的长度为(l+1)mm、宽度为(w+1)mm、深度为(t-1)mm，工件槽2底面至散热结构3顶面的距离为8mm。

所述散热结构3由多个等间距设置的散热片构成，工作时散热片插入强制冷却装置下部6的冷却水通道7中，各散热片与流动的冷却水(冷却水可选用0℃的自来水)接触，对流换热为主要的热量传递方式，故增加各散热片的表面积有利于热量传递，具体地，散热片的尺寸可根据《电子散热器技术手册》中型材散热器设计方法选取；本实施例散热结构3的长度与工件长度l相等、宽度为(w×2-3)mm，单个散热片的厚度为3mm、高度为24mm，相邻两散热片之间的净距为3mm，散热片的数量为w/3取整数并沿工件槽中心对称布置。

所述强制冷却装置下部6的主要功能是提供与散热结构相配合的冷却水通道，并导通冷却水，可选用价格较低、导热性较好且不易生锈的金属，如：铝合金和不锈钢，本实施例采用铝合金制作强制冷却装置下部；所述冷却水通道7位于强制冷却装置下部6中心；所述冷却水通道流入口、流出口(8-1和8-2)沿冷却水通道7长度方向布设且分别位于冷却水通道两端中心处，冷却水通道流入口、出口(8-1和8-2)内部均装配格林接头，用于连接外部的冷却入水、出水管(9、10)；强制冷却装置下部的螺纹孔5与冷却装置上部的螺纹孔5的位置和尺寸需要严格一致。本实施例强制冷却装置下部6的长度、宽度分别与强制冷却装置上部的长度、宽度相等，强制冷却装置下部的高度为30mm；本实施例冷却水通道的长度、宽度及深度分别为(l+10)mm、(w×2+3)mm、25mm，冷却水通道流入口和流出口均采用英制4分的螺纹孔。

本发明装置的安装及冷却过程为：

将强制冷却装置上部散热结构3插入强制冷却装置下部冷却水通道7，上、下两部分通过螺纹孔5连接，结合处安装密封垫；冷却水通道入口、出口(8-1和8-2)装配格林接头，并与水管连接。

激光熔覆前，将工件12放入工件槽2，通过螺纹孔4安装压板固定工件，冷却水由冷却入水管9流入冷却水通道入口8-1，流经冷却水通道7，冷却水与冷却水通道内的散热结构3充分接触后带走散热结构的热量，经冷却水通道出口8-2从冷却出水管10流出，在保证冷却水持续流入和流出后，打开激光11进行激光熔覆，并在整个激光熔覆过程中持续导通冷却水，在激光熔覆结束后，停止冷却水流入，拆卸装卡。

利用本发明强制冷却装置进行激光熔覆实验，得到熔覆层组织如图10(a)所示，相较于图10(b)未使用本发明强制冷却装置的熔覆层组织，本发明定向凝固生长的柱状晶组织比例明显增大，且方向一致竖直向上。

本发明强制冷却装置制作成本较低，可在实际应用中有效提高定向凝固合金柱状晶成形质量，是一种有效提升定向凝固合金激光熔覆过程中凝固前沿温度梯度的装置。