一种叶片耐磨层激光熔覆装置和方法与流程
1.本发明涉及叶片耐磨层激光熔覆技术领域，尤其涉及一种叶片耐磨层激光熔覆装置和方法。
背景技术：
2.现有技术中，发动机低压涡轮一级工作叶片通常采用dd6单晶材料精密铸造成形，叶冠为z型齿结构(如附图1所示)。发动机涡轮叶片在高温燃气环境和疲劳振动状态下工作，每个叶片都以榫齿方式插入涡榫槽，锯齿冠相互啮合形成一个轮缘外环。飞行过程中，叶冠相互撞击，阻尼面受到磨损，在高温环境和高压燃气的作用下，使叶片的叶根弯矩增加，引起叶片根部裂纹，出现叶片断裂事故。
3.为此，通常在叶冠增加耐磨层，以提高叶片使用寿命。但在机加工、试车和试飞时经常出现耐磨层脱落、掉块和相互粘连等质量问题，不能用于批生产。
4.目前国内通常通过手工氩弧焊对耐磨层进行熔覆，耐磨层的熔覆质量依赖于焊工的操作熟练度，不同焊工所加工出的耐磨层的组织均匀性和焊缝结合强度等均差别较大，导致叶片的一致性较差。
5.因此，如何提升低压涡轮工作叶片的一致性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
技术实现要素：
6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种叶片耐磨层激光熔覆装置，以提升叶片的一致性。
7.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
8.一种叶片耐磨层激光熔覆装置，包括：
9.激光器；
10.送粉器，用于储存并输送熔覆粉末；
11.熔覆头，与所述激光器通过光纤连接，且与所述送粉器通过管路连通；以及
12.定位机构，用于对待熔覆叶片进行定位。
13.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆装置中，还包括机械臂和控制器，所述熔覆头设置于所述机械臂上，所述激光器、所述送粉器和所述机械臂均所述控制器电连接。
14.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆装置中，还包括与所述控制器电连接的光谱仪和与所述光谱仪电连接的libs设备。
15.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆装置中，所述定位机构包括：
16.夹具组件，用于对所述待熔覆叶片进行夹紧定位；
17.位置调节件，用于支撑所述夹具组件，且所述位置调节件上设有调节滑槽；
18.夹紧件，用于将所述夹具组件夹紧固定在所述位置调节件上，且所述夹紧件与所述调节滑槽滑动连接。
19.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆装置中，所述夹具组件包括：
20.第一定位块，设有与所述待熔覆叶片的叶根相匹配的第一定位槽；
21.第二定位块，设有与所述待熔覆叶片的叶冠相匹配的第二定位槽；
22.辅助定位板，设置于所述第二定位块上，用于与所述待熔覆叶片的叶冠抵接，限制所述待熔覆叶片的叶冠在所述第二定位槽中的相对位置。
23.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆装置中，所述辅助定位板转动设置于所述第二定位块，且所述辅助定位板与所述第二定位块之间设置有弹性复位元件。
24.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆装置中，所述第二定位块上还设有用于避让所述熔覆头的操作空间的让位槽。
25.一种叶片耐磨层激光熔覆方法，应用如上所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，包括步骤：
26.s1：通过定位机构将待熔覆叶片定位；
27.s2：通过熔覆头对待熔覆叶片的待熔覆部位进行预热；
28.s3：送粉器向熔覆头传输熔覆粉末，激光器通过光纤将激光传输至熔覆头，所述熔覆头对所述叶片的待熔覆部位进行激光熔覆。
29.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆方法中，所述步骤s3中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000w～2000w，激光扫描速度为300～1000mm/min，成形线能量为1.2～2.4kj/cm，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉，送粉速度为3～12g/min，道次间的搭接率为35～70％，氩气送粉保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护：内保护氩气流量为15～35l/min，外保护氩气流量为0～40l/min。
30.可选地，在上述叶片耐磨层激光熔覆方法中，所述步骤s3中，熔覆粉末是颗粒尺寸为φ15～φ300μm的钴基合金粉末，钴基合金粉末的化学成分及质量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余为co。
31.使用本发明所提供的叶片耐磨层激光熔覆装置时，通过定位机构预先对待熔覆叶片定位，由于熔覆头于激光器通过光纤连接，且与送粉器通过管路连通，对叶片耐磨层进行激光熔覆时，首先，通过熔覆头对叶片的待熔覆部位进行预热，减小熔覆部位的裂纹倾向，然后，通过激光器发射激光并通过光纤将高能激光束传输至熔覆头，通过送粉器将熔覆粉末传输至熔覆头，激光器传输至熔覆头的高能激光束对叶片涂层快速扫描处理，熔覆粉末在瞬间熔化并凝固，叶片基体金属随之融化成一薄层，二者之间的界面在很窄的区域内迅速产生分子或原子级的交互扩散，同时形成牢固的冶金结合层，亦即形成耐磨层，从而明显提高叶片基体的硬度和耐磨性。
32.由此可见，本发明所提供的叶片耐磨层激光熔覆装置采用激光熔覆代替手工氩弧焊进行耐磨层堆焊，使得耐磨层组织均匀、焊缝结合强度高，一方面，较传统的通过手工氩弧焊对叶片进行耐磨层熔覆的方法，减少了因焊工操作熟练度的不同所造成的耐磨层组织均匀性和焊缝结合强度差别大这一现象，提升了叶片耐磨层的一致性，使得低压涡轮工作叶片的一致性得到提升；另一方面，提高了叶片耐磨层的熔覆效率，使得叶片的加工效率得到提升，适宜批量化加工制造。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为现有的涡轮叶片的待熔覆部位的结构示意图；
35.图2为本发明实施例所提供的一种叶片耐磨层激光熔覆装置的结构示意图；
36.图3为本发明实施例所提供的一种定位机构的结构示意图；
37.图4为本发明实施例所提供的一种夹具组件的结构示意图；
38.图5为本发明实施例所提供的一种夹具组件将待熔覆叶片夹紧的结构示意图。
39.其中，100为激光器，200为送粉器，300为熔覆头，400为定位机构，401为夹具组件，4011为第一定位块，4011-a为第一定位槽，4012为第二定位块，4012-a为第二定位槽，4012-b为让位槽，4013为辅助定位板，402为位置调节件，4021为调节滑槽，403为夹紧件，500为机械臂，600为控制器，700为光谱仪，800为libs设备，900为待熔覆叶片，901为待熔覆部位。
具体实施方式
40.有鉴于此，本发明的核心在于提供一种叶片耐磨层激光熔覆装置，以提升叶片的一致性。
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.如图1至图5所示，本发明实施例公开了一种叶片耐磨层激光熔覆装置，包括激光器100、送粉器200、熔覆头300和定位机构400。
43.其中，送粉器200用于储存并输送熔覆粉末；熔覆头300与激光器100通过光纤连接，且与送粉器200通过管路连通；定位机构400用于对待熔覆叶片900进行定位。
44.使用本发明所提供的叶片耐磨层激光熔覆装置时，通过定位机构400预先对待熔覆叶片900定位，由于熔覆头300于激光器100通过光纤连接，且与送粉器200通过管路连通，对叶片耐磨层进行激光熔覆时，首先，通过熔覆头300对叶片的待熔覆部位901进行预热，减小熔覆部位的裂纹倾向，然后，通过激光器100发射激光并通过光纤将高能激光束传输至熔覆头300，通过送粉器200将熔覆粉末传输至熔覆头300，激光器100传输至熔覆头300的高能激光束对叶片涂层快速扫描处理，熔覆粉末在瞬间熔化并凝固，叶片基体金属随之融化成一薄层，二者之间的界面在很窄的区域内迅速产生分子或原子级的交互扩散，同时形成牢固的冶金结合层，亦即形成耐磨层，从而明显提高叶片基体的硬度和耐磨性。
45.由此可见，本发明所提供的叶片耐磨层激光熔覆装置采用激光熔覆代替手工氩弧焊进行耐磨层堆焊，使得耐磨层组织均匀、焊缝结合强度高，一方面，较传统的通过手工氩弧焊对叶片进行耐磨层熔覆的方法，减少了因焊工操作熟练度的不同所造成的耐磨层组织均匀性和焊缝结合强度差别大这一现象，提升了叶片耐磨层的一致性，使得低压涡轮工作叶片的一致性得到提升；另一方面，提高了叶片耐磨层的熔覆效率，使得叶片的加工效率得
到提升，适宜批量化加工制造。
46.需要说明的是，本发明对上述激光熔覆参数不作具体限定，只要是能够满足使用要求的熔覆参数均属于本发明保护范围内；优选的激光熔覆参数如下：激光功率为1000w～2000w，激光扫描速度为300～1000mm/min，成形线能量为1.2～2.4kj/cm，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉，送粉速度为3～12g/min，道次间的搭接率为35～70％，氩气送粉保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护：内保护氩气流量为15～35l/min，外保护氩气流量为0～40l/min；熔覆粉末是颗粒尺寸为φ15～φ300μm的钴基合金粉末，钴基合金粉末的化学成分及质量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余为co。
47.在本发明一具体实施例中，采用设备为arnold 6kw三维激光加工制造系统，所设置的工艺参数如下：激光功率为1100～1600w，激光扫描速度为500～750mm/min，成形线能量为1.3～1.8kj/cm，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉，送粉速度为3.5～6.5g/min、道次间的搭接率为40～55％，气体保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护：内保护氩气流量为15～25l/min、外保护氩气流量为0～20l/min；熔覆粉末是颗粒尺寸为φ53～φ150μm球形的钴基合金粉末。
48.另外，上述叶片耐磨层激光熔覆装置还包括机械臂500和控制器600，熔覆头300设置于机械臂500上，以通过机械臂500调整熔覆头300的位置，从而提高熔覆头300的灵活性；激光器100、送粉器200和机械臂500均控制器600电连接，以通过控制器600对激光器100、送粉器200和机械臂500进行控制，提高该叶片耐磨层激光熔覆装置的自动化程度。
49.应当理解，上述控制器600可以是与机械臂500集成为一体的一个控制单元，也可以是另外设置的计算机或者plc控制器600等类型，只要是能够满足控制要求的类型均属于本发明保护范围内；可选地，本发明实施例所提供的控制器600为计算机。
50.进一步地，上述叶片耐磨层激光熔覆装置还包括与控制器600电连接的光谱仪700和与光谱仪700电连接的libs设备800(libs为laser-induced breakdown spectroscopy的缩写，指的是激光诱导击穿光谱学)，以便libs设备800利用光谱仪700对发射的光谱进行分析，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。
51.如图3所示，定位机构400包括夹具组件401、位置调节件402和夹紧件403；其中，夹具组件401用于对待熔覆叶片900进行夹紧定位，位置调节件402用于支撑夹具组件401，且位置调节件402上设有调节滑槽4021，夹紧件403用于将夹具组件401夹紧固定在位置调节件402上，且夹紧件403与调节滑槽4021滑动连接，以通过夹紧件403将夹具组件401夹紧在位置调节件402上，当夹具组件401的位置需要调整时，将夹紧件403沿着调节滑槽4021滑动至预设位置后，再通过夹紧件403将夹具组件401重新夹紧在位置调节件402上，实现夹具组件401的位置调整。
52.如图4和图5所述，夹具组件401包括第一定位块4011、第二定位块4012和辅助定位板4013，以通过第一定位块4011、第二定位块4012和辅助定位板4013对待熔覆叶片900进行定位。
53.具体地，第一定位块4011设有与待熔覆叶片900的叶根相匹配的第一定位槽4011-a，以通过第一定位槽4011-a对待熔覆叶片900的叶根进行定位；第二定位块4012设有与对
待熔覆叶片900的叶冠相匹配的第二定位槽4012-a，以通过第二定位槽4012-a对待熔覆叶片900的叶冠进行定位；辅助定位板4013设置于第二定位块4012上，且位于第二定位槽4012-a的一侧，用于与待熔覆叶片900的叶冠抵接，限制对待熔覆叶片900的叶冠在第二定位槽4012-a中的相对位置，起到辅助定位的作用，从而提高夹具组件401对待熔覆叶片900的定位稳定性，提高定位精度。
54.应当理解，本发明对上述第一定位槽4011-a和第二定位槽4012-a的具体形状不作限定，实际应用中，可以根据叶根和叶冠的具体形状适应性修改第一定位槽4011-a和第二定位槽4012-a的形状，只要是能够满足定位要求的形状均属于本发明保护范围内；可选地，本发明实施例中，第一定位槽4011-a为v型槽，以将待熔覆叶片900放置于第一定位槽4011-a和第二定位槽4012-a后，待熔覆叶片900的待熔覆部位901处于水平状态，待熔覆部位901处于熔覆头300的最佳熔覆部位，便于熔覆头300对待熔覆部位901进行熔覆，第二定位槽4012-a为与待熔覆叶片900的叶冠匹配的形状，能够实现待熔覆叶片900在第二定位槽4012-a上的正反放置，以实现待熔覆叶片900的正反熔覆。
55.另外，辅助定位板4013可以固定设置于第二定位块4012，也可以活动设置于第二定位块4012，只要是能够满足使用要求的设置方式均属于本发明保护范围内；可选地，本发明实施例中，辅助定位板4013转动设置于第二定位块4012，且辅助定位板4013与第二定位块4012之间设置有弹性复位元件，以通过弹性复位元件对辅助定位板4013施加拉力，使得辅助定位板4013能够始终与待熔覆叶片900抵接，提高该夹具组件401对待熔覆叶片900的定位稳定性。
56.应当理解，上述弹性复位元件可以是弹簧或者拉力绳等类型零件，只要是能够满足使用要求的零件类型均属于本发明保护范围内；可选地，本发明实施例所提供的弹性复位元件为弹簧，具有较强的拉伸形变力。
57.本发明实施例所提供的第二定位块4012上还设有让位槽4012-b，用于避让熔覆头300的操作空间，避免与熔覆头300发生干涉，同时便于通过让位槽4012-b对待熔覆部位901将熔覆过程中产生的热量散发出去，防止待熔覆叶片900由于基体过热而产生裂纹，降低叶片质量，延长叶片使用寿命。
58.此外，本发明实施例还公开了一种叶片耐磨层激光熔覆方法，应用如上所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，包括步骤：
59.s1：通过定位机构400将待熔覆叶片900定位，以固定待熔覆叶片900。
60.s2：通过熔覆头300对待熔覆叶片900的待熔覆部位901进行预热，以减小熔覆部位的裂纹倾向，减少裂纹的产生。
61.s3：送粉器200向熔覆头300传输熔覆粉末，激光器100通过光纤将激光传输至熔覆头300，熔覆头300对叶片的待熔覆部位901进行激光熔覆。
62.使用本发明所提供的叶片耐磨层激光熔覆方法时，通过定位机构400预先将待熔覆叶片900固定，通过熔覆头300对叶片的待熔覆部位901进行预热，减小熔覆部位的裂纹倾向，然后，通过激光器100发射激光并通过光纤将高能激光束传输至熔覆头300，通过送粉器200将熔覆粉末传输至熔覆头300，激光器100传输至熔覆头300的高能激光束对叶片涂层快速扫描处理，熔覆粉末在瞬间熔化并凝固，叶片基体金属随之融化成一薄层，二者之间的界面在很窄的区域内迅速产生分子或原子级的交互扩散，同时形成牢固的冶金结合层，亦即
形成耐磨层，从而明显提高叶片基体的硬度和耐磨性。
63.由此可见，本发明所提供的叶片耐磨层激光熔覆方法采用激光熔覆代替手工氩弧焊进行耐磨层堆焊，使得耐磨层组织均匀、焊缝结合强度高，一方面，较传统的通过手工氩弧焊对叶片进行耐磨层熔覆的方法，减少了因焊工操作熟练度的不同所造成的耐磨层组织均匀性和焊缝结合强度差别大这一现象，提升了叶片耐磨层的一致性，使得低压涡轮工作叶片的一致性得到提升；另一方面，提高了叶片耐磨层的熔覆效率，使得叶片的加工效率得到提升，适宜批量化加工制造。
64.需要说明的是，本发明对上述激光熔覆参数不作具体限定，只要是能够满足使用要求的熔覆参数均属于本发明保护范围内；优选的激光熔覆参数如下：激光功率为1000w～2000w，激光扫描速度为300～1000mm/min，成形线能量为1.2～2.4kj/cm，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉，送粉速度为3～12g/min，道次间的搭接率为35～70％，氩气送粉保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护：内保护氩气流量为15～35l/min，外保护氩气流量为0～40l/min；熔覆粉末是颗粒尺寸为φ15～φ300μm的钴基合金粉末，钴基合金粉末的化学成分及质量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余为co。
65.在本发明一具体实施例中，采用设备为arnold6kw三维激光加工制造系统，所设置的工艺参数如下：激光功率为1100～1600w，激光扫描速度为500～750mm/min，成形线能量为1.3～1.8kj/cm，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉，送粉速度为3.5～6.5g/min、道次间的搭接率为40～55％，气体保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护：内保护氩气流量为15～25l/min、外保护氩气流量为0～20l/min；熔覆粉末是颗粒尺寸为φ53～φ150μm球形的钴基合金粉末。
66.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。
67.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
技术特征：
1.一种叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，包括：激光器；送粉器，用于储存并输送熔覆粉末；熔覆头，与所述激光器通过光纤连接，且与所述送粉器通过管路连通；以及定位机构，用于对待熔覆叶片进行定位。2.根据权利要求1所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，还包括机械臂和控制器，所述熔覆头设置于所述机械臂上，所述激光器、所述送粉器和所述机械臂均所述控制器电连接。3.根据权利要求1所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，还包括与所述控制器电连接的光谱仪和与所述光谱仪电连接的libs设备。4.根据权利要求1所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，所述定位机构包括：夹具组件，用于对所述待熔覆叶片进行夹紧定位；位置调节件，用于支撑所述夹具组件，且所述位置调节件上设有调节滑槽；夹紧件，用于将所述夹具组件夹紧固定在所述位置调节件上，且所述夹紧件与所述调节滑槽滑动连接。5.根据权利要求1所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，所述夹具组件包括：第一定位块，设有与所述待熔覆叶片的叶根相匹配的第一定位槽；第二定位块，设有与所述待熔覆叶片的叶冠相匹配的第二定位槽；辅助定位板，设置于所述第二定位块上，用于与所述待熔覆叶片的叶冠抵接，限制所述待熔覆叶片的叶冠在所述第二定位槽中的相对位置。6.根据权利要求5所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，所述辅助定位板转动设置于所述第二定位块，且所述辅助定位板与所述第二定位块之间设置有弹性复位元件。7.根据权利要求5所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，其特征在于，所述第二定位块上还设有用于避让所述熔覆头的操作空间的让位槽。8.一种叶片耐磨层激光熔覆方法，其特征在于，应用如权利要求1至7任意一项所述的叶片耐磨层激光熔覆装置，包括步骤：s1：通过定位机构将待熔覆叶片定位；s2：通过熔覆头对待熔覆叶片的待熔覆部位进行预热；s3：送粉器向熔覆头传输熔覆粉末，激光器通过光纤将激光传输至熔覆头，所述熔覆头对所述叶片的待熔覆部位进行激光熔覆。9.根据权利要求8所述的叶片耐磨层激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤s3中，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为1000w～2000w，激光扫描速度为300～1000mm/min，成形线能量为1.2～2.4kj/cm，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉，送粉速度为3～12g/min，道次间的搭接率为35～70％，氩气送粉保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护：内保护氩气流量为15～35l/min，外保护氩气流量为0～40l/min。10.根据权利要求8所述的叶片耐磨层激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤s3中，熔覆粉末是颗粒尺寸为φ15～φ300μm的钴基合金粉末，钴基合金粉末的化学成分及质量百分比是c≤0.08％，si:3.0％～3.8％，cr:16.5％～18.5％，mo:27.0％～30.0％，其余为co。
技术总结
本发明公开了一种叶片耐磨层激光熔覆装置和方法。该叶片耐磨层激光熔覆装置包括激光器；送粉器，用于储存并输送熔覆粉末；熔覆头，与激光器通过光纤连接，且与送粉器通过管路连通；以及定位机构，用于对待熔覆叶片进行定位。该叶片耐磨层激光熔覆装置采用激光熔覆代替手工氩弧焊进行耐磨层堆焊，使得耐磨层组织均匀、焊缝结合强度高，较传统的通过手工氩弧焊对叶片进行耐磨层熔覆的方法，减少了因焊工操作熟练度的不同所造成的耐磨层组织均匀性和焊缝结合强度差别大这一现象，提升了叶片耐磨层的一致性，使得低压涡轮工作叶片的一致性得到提升。到提升。到提升。
