哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
航空发动机整体叶盘上叶片在长时间高载荷、腐蚀及高温高压等恶劣条件下
服役会造成磨损、缺损甚至断裂等损伤，而整体叶盘叶片作为一体化结构，无法对
损坏的叶片进行单独更换，若直接进行整体更换则会造成资源的极大浪费，所以发
展航空发动机叶片的再制造修复技术尤为关键，而我国当前在自主系统化叶片修
复领域还属于空白阶段，本文旨在利用GTAW（GasTungstenArcWelding）电弧熔
丝沉积修复技术对叶片模拟平板件进行修复工艺及微观组织力学性能的初步探
索，为实际叶片修复提供基础理论经验。探究了单道单层、单道多层以及多道多层
沉积的合理化工艺路径及窗口，并阐明了GTAW沉积修复试件宏观及微观组织形
貌特征。根据正交试验数据分析中所得的关键参数即沉积电流I，制定不同热输入
试验方案以探究其对于沉积件组织性能影响，并通过数值模拟热循环曲线阐明大
热输入情况下沉积区亮暗带特征滞后形成机理。依据TC17钛合金锻态热处理标准
制定固溶时效方案，并进行验证以及方案优化，调控α析出相尺寸及形态，对沉积
修复件实现微观组织改善及力学性能优化。
首先，在叶片模拟平板件上系统展开一维至三维成形的工艺参数正交试验。得
出合理化成形工艺窗口为沉积电流I=80A-160A、送丝速度V=1000mm/min-
d
1400mm/min、沉积速度V=80mm/min-180mm/min。通过方差分析及显著性水平分
m
析得到沉积电流对单道成形熔宽d及余高h影响最为显著。并对GTAW沉积试件
宏观形貌进行观察，稳定区可见钛合金沉积试件典型水平亮暗带特征，根据不同宏
观及微观形貌将沉积件分为顶部区针状组织、稳定区网篮组织、热影响区片层组织
以及母材区初生组织四个区域。
其次，围绕成形关键参数沉积电流I展开变电流即变热输入探究。制定80A、
120A、160A匹配合理V及V三组试验，宏观可见小电流下初始沉积段由于低热
dm
输入铺展程度较低出现明显侧壁内凹现象，随着电流增大侧壁内凹程度逐渐减弱。
且随着电流增大，稳定区亮暗带特征的形成会发生滞后，结合模拟仿真不同热输入
热循环曲线及晶粒组织演变规律阐明滞后现象出现的内在原因：大热输入使得热
循环峰值温度抬高即远离了α/β温度转变点（895±15℃），从而延缓了高温β相向
低温α相的转变进程，导致α网篮组织形成滞后。微观上随着热输入增大，网篮α
相组织整体发生粗化，力学强度性能随之降低，80A下抗拉强度为1058.5MPa、
120A下为1043.217MPa、160A下为1006.204MPa。
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最后，根据TC17锻态热处理标准制定α+β相区热处理制度HT1：840℃/1h水
淬固溶+630℃/8h空冷时效。经验证HT1热处理下沉积件热影响区组织性能发生
明显弱化，这是由于Ostwald熟化效应使得热影响区晶内原始粗大α相以及β晶
界处原始连续的晶界α相进一步粗化，以致阻碍裂纹扩展的能力大大下降。因此
设计优化单β相区热处理制度HT2：910℃/1h水淬固溶+630℃/8h空冷时效，意在
适当抬高固溶相区以增强热影响区固溶作用。高固溶温区HT2使得热影响区原生
粗大且连续的晶界α相发生溶解破碎，形成了断续的近等轴α相，原始初生晶内α
相也发生大面积溶解形成了小尺寸不规则α相。断裂位置从热影响区移至中心稳
定区，依靠稳定区HT2后保留下来的优异网篮组织结构以及时效析出的致密纳米
α相，沉积件强度性能获得加强，相较未热处理的1012.45MPa，HT2后沉积修复
件抗拉强度可达1029.67MPa。
关键词：电弧熔丝修复；整体叶盘叶片；工艺路径；变热输入；组织性能
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