本发明涉及叶片修复装备领域，且特别涉及一种用于修复单晶或定向晶合金叶片的系统。
背景技术：
航空发动机的技术水平是衡量一个国家综合科技水平、工业基础实力以及综合国力的重要标志，航空发动机的性能指标直接决定了飞机的性能。叶片作为航空发动机以及地面燃气轮机的重要组成部件，其服役温度的高低、服役寿命的长短等综合性能严重制约了航空发动机技术的进步。与此同时，由于航空发动机或地面燃气轮机工作环境极其恶劣，叶片在高温、高压以及复杂循环应力载荷的环境下长期工作容易产生磨损、腐蚀、裂纹、材料缺失等缺陷，但单晶或定向晶叶片制作困难，造价高昂，每片单价高达数万美元。通过修复技术的发展尽可能的恢复甚至部分超过叶片原有性能从而延长叶片使用寿命，既可以大大降低航空发动机的维护费用，又大大节约了珍贵的叶片原材料，具有重大的经济和社会效益。
常见的叶片合金材料如镍基高温合金为面心立方结构，在修复过程中具有外延生长(即一定条件下，微观组织可以沿着基体晶向继续生长)的特性，这为通过增材制造等工艺实现失效叶片的修复提供了技术前提。单晶或定向晶叶片修复过程中，当单晶或定向晶结构生长到一定高度时，等轴晶组织容易出现并破坏单晶或定向晶组织的生长。由于常见的镍基高温合金叶片材料缺少晶界强化元素，晶界尤其是垂直于叶片主应力轴方向的晶界一旦产生，在应力作用下晶界处极易导致裂纹萌发并扩展，严重威胁叶片的服役安全。因此，单晶或定向晶叶片修复的关键是如何通过工艺控制，精准调节修复温度场，在不产生裂纹等缺陷的前提下实现单晶或定向晶结构的接续外延生长，这对修复装备提出了较高的要求。
叶片修复技术的发展离不开修复专用装备技术的进步，修复装备的自动化、智能化以及装置间配合程度的高低严重影响着修复的效率和修复的质量。电弧修复在传统叶片修复中有着广泛而重要的应用，电弧修复相对激光、电子束等工艺，设备简单，修复件尺寸限制小，修复效率高、修复综合成本低，开发集成一套专用于单晶或定向晶合金叶片电弧修复的系统，通过电弧增材制造工艺实现单晶或定向晶叶片的自动化修复具有重要的应用价值。
技术实现要素：
发明提出一种用于修复单晶或定向晶合金叶片的系统，该系统通过内部各装置协同配合，可实现对单晶或定向晶合金叶片的自动化、智能化及高效化修复。修复区域与叶片基体具有相同的单晶或定向晶结构，最大程度的恢复甚至部分超过叶片原有性能，保证修复及后续加工处理后的叶片满足叶片服役要求，延长叶片服役寿命。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于修复单晶或定向晶合金叶片的系统，该系统包括焊炬及其配套装置、叶片运动装置、修复材料送给装置、热控制装置、保护舱装置以及用于修复路径规划的系统；
保护舱装置内部的底部设置有叶片运动装置，上部对应叶片运动装置设置有焊炬及其配套装置的焊炬，焊炬旁侧设置修复材料送给装置；叶片运动装置上设有受热控制装置控制的感应加热线圈；
焊炬及其配套装置用于产生修复用电弧，作为修复送给材料熔化的热源；
叶片运动装置用于根据修复路径规划的系统规划的修复路径，通过数字控制自动化实现待修复叶片的运动，满足修复路径的要求；
修复材料送给装置用于叶片修复过程中填充材料的送给；
热控制装置用于修复过程中修复温度场的控制，创造适合相应晶体结构生长的条件；
保护舱装置用于为修复过程提供一个惰性气体保护氛围。
进一步的，修复过程中通过叶片运动装置及用于修复路径规划的系统的协同配合，始终保证待修复区域在整个修复过程中均处在最佳修复状态，该最佳修复状态是指待修复区域表面与水平面成不大于45度的角度。
修复过程中，通过叶片运动装置以及修复路径规划系统的协同配合，保证叶片待修复区域始终处于最佳的修复状态，此最佳修复状态所对应的位置既要保证避免熔融的液态金属倾斜流动，又要保证热源无障碍地作用到待修复区域。具体是指：修复过程中，当叶片壁厚较大，待修复区域表面即使完全平行于水平面也不会影响热源作用到待修复区域时，此时叶片运动装置的运动在满足修复路径规划系统路径要求的基础上，通过三维直线运动或旋转调整，达到叶片修复最佳状态，该叶片修复最佳状态所对应的位置就是待修复区域表面平行于水平面，角度误差不超过5°；当叶片壁厚较小，待修复表面沿主应力轴方向距离叶冠又较远，如果待修复区域表面完全平行于水平面，则影响热源作用到修复区域。比如由于复形模的存在以及叶片壁厚太小，再加上需要修复的高度又较高时，此时待修复区域如果保持和水平面完全平行，则会影响热源向待修复区域作用，比如会影响焊炬的伸入。此时叶片运动装置的运动在满足修复路径规划系统路径要求的基础上，通过三维直线运动或旋转调整，达到此时叶片修复的最佳状态，该叶片修复的最佳修复状态所对应的位置是指：待修复区域表面和复形模切线方向相平行的方向与水平方向相平行，误差在5°以内，待修复区域表面垂直于复形模切线方向的方向与水平面的夹角不超过45°，使得待修复区域的熔融金属处于一个船型位置。叶片运动装置以及修复路径规划系统的协同配合，使得在修复过程中待修复区域始终处在利于修复的最佳修复状态，对于保证单晶或定向晶合金叶片修复质量，提高叶片修复整体效率具有重要意义。
进一步的，热控制装置中感应加热线圈的位置根据叶片待修复表面的上移而动态调整，始终保证叶片在整个修复过程中固相部分的温度分布均满足液态金属单晶或定向晶结构的生长要求。
修复过程热控制装置中感应加热线圈的位置根据叶片待修复表面的上移而动态调整，通过对待修复区域温度场(包括温度梯度的大小、方向)的精准控制，在单晶或定向晶合金叶片整个修复过程中创造满足镍基合金液态金属单晶或定向晶的生长条件，保证修复后叶片修复区域的结构满足叶片服役工况的要求。具体过程包括：待复形模安装并固定于叶片内部空腔后，将热控制装置中用于感应加热的线圈放置并固定于叶片修复界面周围，感应加热线圈的形状与叶片截面形貌相似，以最大程度的保证加热效率和修复质量。叶片修复时，通过热控制装置中感应加热线圈的加热，使得基体预热温度不低于材料熔点的82％。加热过程中，叶片基体或已修复区域的实际加热温度通过热控制装置的监测系统进行反馈，整个系统实现一种闭环控制。通过高的基体预热温度以降低液态金属的凝固速度和叶片修复区域的生长速度，最大程度地实现修复区域液态金属的外延平面生长。叶片修复过程中，用于基体叶片及已修复区域金属加热的感应线圈的位置要随着修复界面位置的改变而调整，具体为随着修复过程的进行，待修复界面距离叶片根部距离增大，感应加热线圈的位置要随着修复过程的进行同步向上移动，线圈的移动速度尽可能地接近修复界面向上移动的速度，以最大程度的保证基体和已修复区域的加热效果，使得修复区域温度梯度的方向、大小满足待修复叶片单晶或定向晶结构的生长要求，从而保证叶片修复质量。
进一步的，通过焊炬、叶片运动装置及修复材料送给装置的综合协同配合，始终保证在整个修复过程中适量熔化的送给材料动态合理地过渡到待修复区域中。
进一步的，焊炬及其配套装置由弧焊电源、焊炬及其配套冷却、控制装置构成。
进一步的，焊炬的电弧为开放电弧或压缩电弧。
进一步的，叶片运动装置能够实现X轴、Y轴、Z轴三维行进及一维旋转，三维行程范围至少一维不小于10mm，定位精度不低于0.5mm。
进一步的，修复材料送给装置能够对难以加工成丝的条状材料侧向送给。
进一步的，热控制装置包括感应加热装置及冷却装置，该装置用于对修复过程中的基体温度、液态金属温度梯度的大小及方向精确控制，控制精度不低于50℃。
进一步的，保护舱装置为修复过程创造一个封闭的惰性气体保护环境，惰性气体选自单一氩气、氦气、氮气或其中任意二者或三者的组合，舱体内氧气含量不大于0.01％；同时，保护舱装置内配备气体净化装置，用于对修复过程中产生的有害气体实时处理与排放。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提出了一种用于修复单晶或定向晶合金叶片的系统，该系统通过内部焊炬及其配套装置、叶片运动装置、修复材料送给装置、热控制装置、保护舱装置以及用于修复路径规划的系统的协同配合，实现单晶或定向晶合金叶片的自动化及高效化修复。修复区域与叶片基体具有相同的单晶或定向晶结构，最大程度的恢复甚至部分超过叶片原有性能，保证修复及后续加工处理后的叶片满足叶片服役要求，延长叶片服役寿命。
附图说明
图1为本发明一种用于修复单晶或定向晶合金叶片系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更加清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，本发明提出一种用于修复单晶或定向晶合金叶片的系统，包括焊炬及其配套装置1、叶片运动装置2、修复材料送给装置3、热控制装置4、保护舱装置5以及用于修复路径规划的系统。
保护舱装置5内部的底部设置有叶片运动装置2，上部对应叶片运动装置2设置有焊炬及其配套装置1的焊炬，焊炬旁侧设置修复材料送给装置3；叶片运动装置2上设有受热控制装置4控制的感应加热线圈；保护舱装置5上还设有配备气体净化装置6，用于对修复过程中产生的有害气体实时处理与排放。
叶片运动装置2与用于修复路径规划的系统相配合，始终保证修复区域处于最佳修复状态；
热控制装置4中感应加热线圈的位置配合修复进程进行动态调整，始终保证修复过程对修复区域温度场的要求；
焊炬及其配套装置1及修复材料送给装置3相配合，始终保证适量的材料填充。
各装置主要功能如下：
焊炬及其配套装置1用于产生修复用电弧，作为修复送给材料熔化的热源；
叶片运动装置2主要通过数字控制自动化实现待修复叶片的运动，满足修复路径的要求；
修复材料送给装置3用于叶片修复过程中填充材料的适量送给；
热控制装置4用于修复过程中通过控制加热和冷却实现对修复温度场的合理控制，创造适合相应晶体结构生长的条件；
保护舱装置5用于为修复过程提供一个惰性气体保护氛围，同时实现对修复过程中产生的有害气体及时处理并排出。
系统内部各装置互相联系，彼此配合，实现对单晶或定向晶合金叶片的自动化及高效化修复。修复区域与叶片基体具有相同的单晶或定向晶结构，最大程度的恢复甚至部分超过叶片原有性能，保证修复及后续加工处理后的叶片满足叶片服役要求，延长叶片服役寿命。
根据本发明较佳实施例，修复过程中通过叶片运动装置及修复路径规划系统的协同配合，始终保证待修复区域在整个修复过程中均处在最佳修复状态，该最佳修复状态是指待修复区域表面与水平面成不大于45度的角度，防止重力因素对液态金属的不良影响。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，热控制装置4中感应加热线圈的位置根据叶片待修复表面的上移而动态调整，始终保证叶片在整个修复过程中固相部分的温度分布均满足液态金属单晶或定向晶结构的生长要求。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，通过焊炬、叶片运动装置2及修复材料送给装置3的综合协同配合，始终保证在整个修复过程中适量熔化的送给材料动态合理地过渡到待修复区域中。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，焊炬及其配套装置1主要由弧焊电源、焊炬及其配套冷却、控制装置构成。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，电弧为开放电弧或压缩电弧。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，叶片运动装置2可实现X轴、Y轴、Z轴三维行进及一维旋转，三维行程范围至少一维不小于10mm，定位精度不低于0.5mm，满足叶片修复路径要求。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，修复材料送给装置3既能满足常规丝材的送给，还可以实现对难以加工成丝的条状材料侧向送给。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，热控制装置4包括感应加热装置及冷却装置，该装置可以对修复过程中的基体温度、液态金属温度梯度的大小及方向合理控制，控制精度不低于50℃。
根据本发明较佳实施例，修复过程中，通过保护舱装置5为修复过程创造一个封闭的惰性气体保护环境，惰性气体选自单一氩气、氦气、氮气或其中任意二者及三者的组合，舱体内氧气含量不大于0.01％。同时，保护舱内配备气体净化装置6，对修复过程中产生的有害气体实时处理与排放。
综上所述，本发明提出一种用于单晶或定向晶合金叶片修复的系统，该系统通过焊炬及其配套装置1、叶片运动装置2、修复材料送给装置3、热控制装置4、保护舱装置5以及用于修复路径规划系统的协同配合，实现对单晶或定向晶合金叶片的自动化及高效化修复。满足叶片服役要求，在恢复甚至部分超过叶片原有性能的基础上延长了叶片服役寿命。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。