一種葉片耐磨層激光熔覆裝置和方法與流程
1.本發明涉及葉片耐磨層激光熔覆技術領域，尤其涉及一種葉片耐磨層激光熔覆裝置和方法。
背景技術：
2.現有技術中，發動機低壓渦輪一級工作葉片通常采用dd6單晶材料精密鑄造成形，葉冠為z型齒結構(如附圖1所示)。發動機渦輪葉片在高溫燃氣環境和疲勞振動狀態下工作，每個葉片都以榫齒方式插入渦榫槽，鋸齒冠相互嚙合形成一個輪緣外環。飛行過程中，葉冠相互撞擊，阻尼面受到磨損，在高溫環境和高壓燃氣的作用下，使葉片的葉根彎矩增加，引起葉片根部裂紋，出現葉片斷裂事故。
3.為此，通常在葉冠增加耐磨層，以提高葉片使用壽命。但在機加工、試車和試飛時經常出現耐磨層脫落、掉塊和相互粘連等質量問題，不能用于批生產。
4.目前國內通常通過手工氬弧焊對耐磨層進行熔覆，耐磨層的熔覆質量依賴于焊工的操作熟練度，不同焊工所加工出的耐磨層的組織均勻性和焊縫結合強度等均差別較大，導致葉片的一致性較差。
5.因此，如何提升低壓渦輪工作葉片的一致性，是本領域技術人員目前需要解決的技術問題。
技術實現要素：
6.有鑒于此，本發明的目的在于提供一種葉片耐磨層激光熔覆裝置，以提升葉片的一致性。
7.為了實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：
8.一種葉片耐磨層激光熔覆裝置，包括：
9.激光器；
10.送粉器，用于儲存并輸送熔覆粉末；
11.熔覆頭，與所述激光器通過光纖連接，且與所述送粉器通過管路連通；以及
12.定位機構，用于對待熔覆葉片進行定位。
13.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆裝置中，還包括機械臂和控制器，所述熔覆頭設置于所述機械臂上，所述激光器、所述送粉器和所述機械臂均所述控制器電連接。
14.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆裝置中，還包括與所述控制器電連接的光譜儀和與所述光譜儀電連接的libs設備。
15.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆裝置中，所述定位機構包括：
16.夾具組件，用于對所述待熔覆葉片進行夾緊定位；
17.位置調節件，用于支撐所述夾具組件，且所述位置調節件上設有調節滑槽；
18.夾緊件，用于將所述夾具組件夾緊固定在所述位置調節件上，且所述夾緊件與所述調節滑槽滑動連接。
19.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆裝置中，所述夾具組件包括：
20.第一定位塊，設有與所述待熔覆葉片的葉根相匹配的第一定位槽；
21.第二定位塊，設有與所述待熔覆葉片的葉冠相匹配的第二定位槽；
22.輔助定位板，設置于所述第二定位塊上，用于與所述待熔覆葉片的葉冠抵接，限制所述待熔覆葉片的葉冠在所述第二定位槽中的相對位置。
23.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆裝置中，所述輔助定位板轉動設置于所述第二定位塊，且所述輔助定位板與所述第二定位塊之間設置有彈性復位元件。
24.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆裝置中，所述第二定位塊上還設有用于避讓所述熔覆頭的操作空間的讓位槽。
25.一種葉片耐磨層激光熔覆方法，應用如上所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，包括步驟：
26.s1：通過定位機構將待熔覆葉片定位；
27.s2：通過熔覆頭對待熔覆葉片的待熔覆部位進行預熱；
28.s3：送粉器向熔覆頭傳輸熔覆粉末，激光器通過光纖將激光傳輸至熔覆頭，所述熔覆頭對所述葉片的待熔覆部位進行激光熔覆。
29.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆方法中，所述步驟s3中，激光熔覆的工藝參數為：激光功率為1000w～2000w，激光掃描速度為300～1000mm/min，成形線能量為1.2～2.4kj/cm，送粉方式為同軸的高純度氬氣送粉，送粉速度為3～12g/min，道次間的搭接率為35～70％，氬氣送粉保護方式為同軸雙通道的高純度氬氣保護：內保護氬氣流量為15～35l/min，外保護氬氣流量為0～40l/min。
30.可選地，在上述葉片耐磨層激光熔覆方法中，所述步驟s3中，熔覆粉末是顆粒尺寸為φ15～φ300μm的鈷基合金粉末，鈷基合金粉末的化學成分及質量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余為co。
31.使用本發明所提供的葉片耐磨層激光熔覆裝置時，通過定位機構預先對待熔覆葉片定位，由于熔覆頭于激光器通過光纖連接，且與送粉器通過管路連通，對葉片耐磨層進行激光熔覆時，首先，通過熔覆頭對葉片的待熔覆部位進行預熱，減小熔覆部位的裂紋傾向，然后，通過激光器發射激光并通過光纖將高能激光束傳輸至熔覆頭，通過送粉器將熔覆粉末傳輸至熔覆頭，激光器傳輸至熔覆頭的高能激光束對葉片涂層快速掃描處理，熔覆粉末在瞬間熔化并凝固，葉片基體金屬隨之融化成一薄層，二者之間的界面在很窄的區域內迅速產生分子或原子級的交互擴散，同時形成牢固的冶金結合層，亦即形成耐磨層，從而明顯提高葉片基體的硬度和耐磨性。
32.由此可見，本發明所提供的葉片耐磨層激光熔覆裝置采用激光熔覆代替手工氬弧焊進行耐磨層堆焊，使得耐磨層組織均勻、焊縫結合強度高，一方面，較傳統的通過手工氬弧焊對葉片進行耐磨層熔覆的方法，減少了因焊工操作熟練度的不同所造成的耐磨層組織均勻性和焊縫結合強度差別大這一現象，提升了葉片耐磨層的一致性，使得低壓渦輪工作葉片的一致性得到提升；另一方面，提高了葉片耐磨層的熔覆效率，使得葉片的加工效率得到提升，適宜批量化加工制造。
附圖說明
33.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
34.圖1為現有的渦輪葉片的待熔覆部位的結構示意圖；
35.圖2為本發明實施例所提供的一種葉片耐磨層激光熔覆裝置的結構示意圖；
36.圖3為本發明實施例所提供的一種定位機構的結構示意圖；
37.圖4為本發明實施例所提供的一種夾具組件的結構示意圖；
38.圖5為本發明實施例所提供的一種夾具組件將待熔覆葉片夾緊的結構示意圖。
39.其中，100為激光器，200為送粉器，300為熔覆頭，400為定位機構，401為夾具組件，4011為第一定位塊，4011-a為第一定位槽，4012為第二定位塊，4012-a為第二定位槽，4012-b為讓位槽，4013為輔助定位板，402為位置調節件，4021為調節滑槽，403為夾緊件，500為機械臂，600為控制器，700為光譜儀，800為libs設備，900為待熔覆葉片，901為待熔覆部位。
具體實施方式
40.有鑒于此，本發明的核心在于提供一種葉片耐磨層激光熔覆裝置，以提升葉片的一致性。
41.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
42.如圖1至圖5所示，本發明實施例公開了一種葉片耐磨層激光熔覆裝置，包括激光器100、送粉器200、熔覆頭300和定位機構400。
43.其中，送粉器200用于儲存并輸送熔覆粉末；熔覆頭300與激光器100通過光纖連接，且與送粉器200通過管路連通；定位機構400用于對待熔覆葉片900進行定位。
44.使用本發明所提供的葉片耐磨層激光熔覆裝置時，通過定位機構400預先對待熔覆葉片900定位，由于熔覆頭300于激光器100通過光纖連接，且與送粉器200通過管路連通，對葉片耐磨層進行激光熔覆時，首先，通過熔覆頭300對葉片的待熔覆部位901進行預熱，減小熔覆部位的裂紋傾向，然后，通過激光器100發射激光并通過光纖將高能激光束傳輸至熔覆頭300，通過送粉器200將熔覆粉末傳輸至熔覆頭300，激光器100傳輸至熔覆頭300的高能激光束對葉片涂層快速掃描處理，熔覆粉末在瞬間熔化并凝固，葉片基體金屬隨之融化成一薄層，二者之間的界面在很窄的區域內迅速產生分子或原子級的交互擴散，同時形成牢固的冶金結合層，亦即形成耐磨層，從而明顯提高葉片基體的硬度和耐磨性。
45.由此可見，本發明所提供的葉片耐磨層激光熔覆裝置采用激光熔覆代替手工氬弧焊進行耐磨層堆焊，使得耐磨層組織均勻、焊縫結合強度高，一方面，較傳統的通過手工氬弧焊對葉片進行耐磨層熔覆的方法，減少了因焊工操作熟練度的不同所造成的耐磨層組織均勻性和焊縫結合強度差別大這一現象，提升了葉片耐磨層的一致性，使得低壓渦輪工作葉片的一致性得到提升；另一方面，提高了葉片耐磨層的熔覆效率，使得葉片的加工效率得
到提升，適宜批量化加工制造。
46.需要說明的是，本發明對上述激光熔覆參數不作具體限定，只要是能夠滿足使用要求的熔覆參數均屬于本發明保護范圍內；優選的激光熔覆參數如下：激光功率為1000w～2000w，激光掃描速度為300～1000mm/min，成形線能量為1.2～2.4kj/cm，送粉方式為同軸的高純度氬氣送粉，送粉速度為3～12g/min，道次間的搭接率為35～70％，氬氣送粉保護方式為同軸雙通道的高純度氬氣保護：內保護氬氣流量為15～35l/min，外保護氬氣流量為0～40l/min；熔覆粉末是顆粒尺寸為φ15～φ300μm的鈷基合金粉末，鈷基合金粉末的化學成分及質量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余為co。
47.在本發明一具體實施例中，采用設備為arnold 6kw三維激光加工制造系統，所設置的工藝參數如下：激光功率為1100～1600w，激光掃描速度為500～750mm/min，成形線能量為1.3～1.8kj/cm，送粉方式為同軸的高純度氬氣送粉，送粉速度為3.5～6.5g/min、道次間的搭接率為40～55％，氣體保護方式為同軸雙通道的高純度氬氣保護：內保護氬氣流量為15～25l/min、外保護氬氣流量為0～20l/min；熔覆粉末是顆粒尺寸為φ53～φ150μm球形的鈷基合金粉末。
48.另外，上述葉片耐磨層激光熔覆裝置還包括機械臂500和控制器600，熔覆頭300設置于機械臂500上，以通過機械臂500調整熔覆頭300的位置，從而提高熔覆頭300的靈活性；激光器100、送粉器200和機械臂500均控制器600電連接，以通過控制器600對激光器100、送粉器200和機械臂500進行控制，提高該葉片耐磨層激光熔覆裝置的自動化程度。
49.應當理解，上述控制器600可以是與機械臂500集成為一體的一個控制單元，也可以是另外設置的計算機或者plc控制器600等類型，只要是能夠滿足控制要求的類型均屬于本發明保護范圍內；可選地，本發明實施例所提供的控制器600為計算機。
50.進一步地，上述葉片耐磨層激光熔覆裝置還包括與控制器600電連接的光譜儀700和與光譜儀700電連接的libs設備800(libs為laser-induced breakdown spectroscopy的縮寫，指的是激光誘導擊穿光譜學)，以便libs設備800利用光譜儀700對發射的光譜進行分析，以此來識別樣品中的元素組成成分，進而可以進行材料的識別、分類、定性以及定量分析。
51.如圖3所示，定位機構400包括夾具組件401、位置調節件402和夾緊件403；其中，夾具組件401用于對待熔覆葉片900進行夾緊定位，位置調節件402用于支撐夾具組件401，且位置調節件402上設有調節滑槽4021，夾緊件403用于將夾具組件401夾緊固定在位置調節件402上，且夾緊件403與調節滑槽4021滑動連接，以通過夾緊件403將夾具組件401夾緊在位置調節件402上，當夾具組件401的位置需要調整時，將夾緊件403沿著調節滑槽4021滑動至預設位置后，再通過夾緊件403將夾具組件401重新夾緊在位置調節件402上，實現夾具組件401的位置調整。
52.如圖4和圖5所述，夾具組件401包括第一定位塊4011、第二定位塊4012和輔助定位板4013，以通過第一定位塊4011、第二定位塊4012和輔助定位板4013對待熔覆葉片900進行定位。
53.具體地，第一定位塊4011設有與待熔覆葉片900的葉根相匹配的第一定位槽4011-a，以通過第一定位槽4011-a對待熔覆葉片900的葉根進行定位；第二定位塊4012設有與對
待熔覆葉片900的葉冠相匹配的第二定位槽4012-a，以通過第二定位槽4012-a對待熔覆葉片900的葉冠進行定位；輔助定位板4013設置于第二定位塊4012上，且位于第二定位槽4012-a的一側，用于與待熔覆葉片900的葉冠抵接，限制對待熔覆葉片900的葉冠在第二定位槽4012-a中的相對位置，起到輔助定位的作用，從而提高夾具組件401對待熔覆葉片900的定位穩定性，提高定位精度。
54.應當理解，本發明對上述第一定位槽4011-a和第二定位槽4012-a的具體形狀不作限定，實際應用中，可以根據葉根和葉冠的具體形狀適應性修改第一定位槽4011-a和第二定位槽4012-a的形狀，只要是能夠滿足定位要求的形狀均屬于本發明保護范圍內；可選地，本發明實施例中，第一定位槽4011-a為v型槽，以將待熔覆葉片900放置于第一定位槽4011-a和第二定位槽4012-a后，待熔覆葉片900的待熔覆部位901處于水平狀態，待熔覆部位901處于熔覆頭300的最佳熔覆部位，便于熔覆頭300對待熔覆部位901進行熔覆，第二定位槽4012-a為與待熔覆葉片900的葉冠匹配的形狀，能夠實現待熔覆葉片900在第二定位槽4012-a上的正反放置，以實現待熔覆葉片900的正反熔覆。
55.另外，輔助定位板4013可以固定設置于第二定位塊4012，也可以活動設置于第二定位塊4012，只要是能夠滿足使用要求的設置方式均屬于本發明保護范圍內；可選地，本發明實施例中，輔助定位板4013轉動設置于第二定位塊4012，且輔助定位板4013與第二定位塊4012之間設置有彈性復位元件，以通過彈性復位元件對輔助定位板4013施加拉力，使得輔助定位板4013能夠始終與待熔覆葉片900抵接，提高該夾具組件401對待熔覆葉片900的定位穩定性。
56.應當理解，上述彈性復位元件可以是彈簧或者拉力繩等類型零件，只要是能夠滿足使用要求的零件類型均屬于本發明保護范圍內；可選地，本發明實施例所提供的彈性復位元件為彈簧，具有較強的拉伸形變力。
57.本發明實施例所提供的第二定位塊4012上還設有讓位槽4012-b，用于避讓熔覆頭300的操作空間，避免與熔覆頭300發生干涉，同時便于通過讓位槽4012-b對待熔覆部位901將熔覆過程中產生的熱量散發出去，防止待熔覆葉片900由于基體過熱而產生裂紋，降低葉片質量，延長葉片使用壽命。
58.此外，本發明實施例還公開了一種葉片耐磨層激光熔覆方法，應用如上所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，包括步驟：
59.s1：通過定位機構400將待熔覆葉片900定位，以固定待熔覆葉片900。
60.s2：通過熔覆頭300對待熔覆葉片900的待熔覆部位901進行預熱，以減小熔覆部位的裂紋傾向，減少裂紋的產生。
61.s3：送粉器200向熔覆頭300傳輸熔覆粉末，激光器100通過光纖將激光傳輸至熔覆頭300，熔覆頭300對葉片的待熔覆部位901進行激光熔覆。
62.使用本發明所提供的葉片耐磨層激光熔覆方法時，通過定位機構400預先將待熔覆葉片900固定，通過熔覆頭300對葉片的待熔覆部位901進行預熱，減小熔覆部位的裂紋傾向，然后，通過激光器100發射激光并通過光纖將高能激光束傳輸至熔覆頭300，通過送粉器200將熔覆粉末傳輸至熔覆頭300，激光器100傳輸至熔覆頭300的高能激光束對葉片涂層快速掃描處理，熔覆粉末在瞬間熔化并凝固，葉片基體金屬隨之融化成一薄層，二者之間的界面在很窄的區域內迅速產生分子或原子級的交互擴散，同時形成牢固的冶金結合層，亦即
形成耐磨層，從而明顯提高葉片基體的硬度和耐磨性。
63.由此可見，本發明所提供的葉片耐磨層激光熔覆方法采用激光熔覆代替手工氬弧焊進行耐磨層堆焊，使得耐磨層組織均勻、焊縫結合強度高，一方面，較傳統的通過手工氬弧焊對葉片進行耐磨層熔覆的方法，減少了因焊工操作熟練度的不同所造成的耐磨層組織均勻性和焊縫結合強度差別大這一現象，提升了葉片耐磨層的一致性，使得低壓渦輪工作葉片的一致性得到提升；另一方面，提高了葉片耐磨層的熔覆效率，使得葉片的加工效率得到提升，適宜批量化加工制造。
64.需要說明的是，本發明對上述激光熔覆參數不作具體限定，只要是能夠滿足使用要求的熔覆參數均屬于本發明保護范圍內；優選的激光熔覆參數如下：激光功率為1000w～2000w，激光掃描速度為300～1000mm/min，成形線能量為1.2～2.4kj/cm，送粉方式為同軸的高純度氬氣送粉，送粉速度為3～12g/min，道次間的搭接率為35～70％，氬氣送粉保護方式為同軸雙通道的高純度氬氣保護：內保護氬氣流量為15～35l/min，外保護氬氣流量為0～40l/min；熔覆粉末是顆粒尺寸為φ15～φ300μm的鈷基合金粉末，鈷基合金粉末的化學成分及質量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余為co。
65.在本發明一具體實施例中，采用設備為arnold6kw三維激光加工制造系統，所設置的工藝參數如下：激光功率為1100～1600w，激光掃描速度為500～750mm/min，成形線能量為1.3～1.8kj/cm，送粉方式為同軸的高純度氬氣送粉，送粉速度為3.5～6.5g/min、道次間的搭接率為40～55％，氣體保護方式為同軸雙通道的高純度氬氣保護：內保護氬氣流量為15～25l/min、外保護氬氣流量為0～20l/min；熔覆粉末是顆粒尺寸為φ53～φ150μm球形的鈷基合金粉末。
66.本發明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”和“第二”等是用于區別不同的對象，而不是用于描述特定的順序。此外術語“包括”和“具有”以及他們任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含。例如包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備沒有設定于已列出的步驟或單元，而是可包括沒有列出的步驟或單元。
67.對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
技術特征：
1.一種葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，包括：激光器；送粉器，用于儲存并輸送熔覆粉末；熔覆頭，與所述激光器通過光纖連接，且與所述送粉器通過管路連通；以及定位機構，用于對待熔覆葉片進行定位。2.根據權利要求1所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，還包括機械臂和控制器，所述熔覆頭設置于所述機械臂上，所述激光器、所述送粉器和所述機械臂均所述控制器電連接。3.根據權利要求1所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，還包括與所述控制器電連接的光譜儀和與所述光譜儀電連接的libs設備。4.根據權利要求1所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，所述定位機構包括：夾具組件，用于對所述待熔覆葉片進行夾緊定位；位置調節件，用于支撐所述夾具組件，且所述位置調節件上設有調節滑槽；夾緊件，用于將所述夾具組件夾緊固定在所述位置調節件上，且所述夾緊件與所述調節滑槽滑動連接。5.根據權利要求1所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，所述夾具組件包括：第一定位塊，設有與所述待熔覆葉片的葉根相匹配的第一定位槽；第二定位塊，設有與所述待熔覆葉片的葉冠相匹配的第二定位槽；輔助定位板，設置于所述第二定位塊上，用于與所述待熔覆葉片的葉冠抵接，限制所述待熔覆葉片的葉冠在所述第二定位槽中的相對位置。6.根據權利要求5所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，所述輔助定位板轉動設置于所述第二定位塊，且所述輔助定位板與所述第二定位塊之間設置有彈性復位元件。7.根據權利要求5所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，其特征在于，所述第二定位塊上還設有用于避讓所述熔覆頭的操作空間的讓位槽。8.一種葉片耐磨層激光熔覆方法，其特征在于，應用如權利要求1至7任意一項所述的葉片耐磨層激光熔覆裝置，包括步驟：s1：通過定位機構將待熔覆葉片定位；s2：通過熔覆頭對待熔覆葉片的待熔覆部位進行預熱；s3：送粉器向熔覆頭傳輸熔覆粉末，激光器通過光纖將激光傳輸至熔覆頭，所述熔覆頭對所述葉片的待熔覆部位進行激光熔覆。9.根據權利要求8所述的葉片耐磨層激光熔覆方法，其特征在于，所述步驟s3中，激光熔覆的工藝參數為：激光功率為1000w～2000w，激光掃描速度為300～1000mm/min，成形線能量為1.2～2.4kj/cm，送粉方式為同軸的高純度氬氣送粉，送粉速度為3～12g/min，道次間的搭接率為35～70％，氬氣送粉保護方式為同軸雙通道的高純度氬氣保護：內保護氬氣流量為15～35l/min，外保護氬氣流量為0～40l/min。10.根據權利要求8所述的葉片耐磨層激光熔覆方法，其特征在于，所述步驟s3中，熔覆粉末是顆粒尺寸為φ15～φ300μm的鈷基合金粉末，鈷基合金粉末的化學成分及質量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余為co。
技術總結
本發明公開了一種葉片耐磨層激光熔覆裝置和方法。該葉片耐磨層激光熔覆裝置包括激光器；送粉器，用于儲存并輸送熔覆粉末；熔覆頭，與激光器通過光纖連接，且與送粉器通過管路連通；以及定位機構，用于對待熔覆葉片進行定位。該葉片耐磨層激光熔覆裝置采用激光熔覆代替手工氬弧焊進行耐磨層堆焊，使得耐磨層組織均勻、焊縫結合強度高，較傳統的通過手工氬弧焊對葉片進行耐磨層熔覆的方法，減少了因焊工操作熟練度的不同所造成的耐磨層組織均勻性和焊縫結合強度差別大這一現象，提升了葉片耐磨層的一致性，使得低壓渦輪工作葉片的一致性得到提升。到提升。到提升。
