一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法
2023-05-28 18:48:41 2
一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法
【專利摘要】本發明涉及雷射加工領域，特指一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法。針對損傷溝槽深度達到1 mm以上的金屬損傷件，將損傷溝槽按照雷射衝擊強化對熔覆層的影響深度分為多個層次，先採用無吸收層雷射衝擊強化直接處理溝槽底部表面，去除表面雜質，同時細化表層晶粒，後採用雷射熔覆形成給定厚度的的熔覆層；接下來每一層都採用先無吸收層雷射衝擊強化然後雷射熔覆的組合工藝，直到熔覆層完全填滿損傷溝槽並高出金屬件表面，接著採用機械加工的方法切削高出試樣表面的熔覆層，並用砂紙打磨，對雷射熔覆層上表面進行大面積搭接的雷射衝擊強化。
【專利說明】一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及雷射加工領域，特指一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，特別 適用於修復損傷較深的金屬件。
【背景技術】
[0002] 雷射熔覆是一種新的表面改性技術，通過在基材表面添加熔覆材料，並利用高能 密度的雷射束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結合的添 料熔覆層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達到 表面改性或修復的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節約了大量的貴重元素。
[0003] 雷射衝擊強化是一種新型的材料表面強化技術，利用強雷射誘導的衝擊波力學效 應對材料進行加工，具有高壓、高能、超快和超高應變率等特點，其形成的高能量衝擊波能 細化材料晶粒尺寸，使材料組織排列更為緊密，降低孔隙率，能夠顯著提高金屬零件的疲勞 壽命以及抗腐蝕和抗磨損能力；大量的研宄證明雷射衝擊強化技術是延長裂紋萌生時間降 低裂紋擴展速度提高材料壽命的有效手段。
[0004] 航空關鍵件出現局部損傷，其他部件往往還有很大的承載能力，延長損傷關鍵件 的服役壽命和提高其可靠性已經成為機械構件再製造工程中的核心科學問題之一；雷射熱 力複合再製造即對損傷關鍵件先進行雷射熔覆修復、恢復尺寸，然後進行雷射衝擊強化細 化晶粒並提尚其性能。
[0005] 然而雷射衝擊強化只能對金屬表面以下I mm深度內的區域產生影響，因此當部件 的損傷深度超過I _時，在較深的區域雷射衝擊強化就無法起到改善其性能的作用，其恪 覆層由於熱效應引起的缺陷及結構疏鬆會導致機械性能較差，容易產生疲勞失效。
【發明內容】
[0006] 為解決上述技術問題，本發明提供了一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法， 即利用雷射衝擊強化與雷射熔覆技術相結合，針對損傷溝槽深度達到1 _以上的金屬損傷 件，將損傷溝槽按照雷射衝擊強化對熔覆層的影響深度分為多個層次，先採用無吸收層激 光衝擊強化直接處理溝槽底部表面，去除表面雜質，同時細化表層晶粒，後採用雷射熔覆形 成給定厚度的熔覆層；接下來每一層都採用先無吸收層雷射衝擊強化然後雷射熔覆的組合 工藝，直到熔覆層完全填滿損傷溝槽並高出金屬件表面，接著採用機械加工的方法切削高 出試樣表面的熔覆層，並用砂紙打磨，對雷射熔覆層上表面進行大面積搭接的雷射衝擊強 化。
[0007] 上述無吸收層雷射衝擊強化就是在雷射衝擊強化過程中基材與約束層之間不塗 覆任何吸收材料；相反，有吸收層雷射衝擊強化就是在基材與約束層之間塗覆一層吸收層， 用於吸收雷射能量，防止材料表層被燒蝕；吸收層材料一般選用金屬鋁箔等。
[0008] 其具體步驟為： (1)選取雷射衝擊強化工藝參數，包括雷射脈衝能量、脈寬、光斑直徑、橫向搭接率和 縱向搭接率，對熔覆層進行雷射衝擊強化試驗，獲得雷射衝擊強化的影響深度a，據此設置 單個雷射熔覆層的厚度b，根據損傷件溝槽深度h及b確定熔覆層數見
[0009] 在上述步驟中，雷射衝擊強化可有效提高熔覆層的力學性能，其影響深度即為力 學性能提高的深度，因此所述的雷射衝擊熔覆層的影響深度a可通過測量深度方向上的硬 度強化深度等方式獲得。
[0010] 單個熔覆層的厚度b設定為2a/3,取值範圍為0. 3- 0. 8 mm，a為熔覆層雷射衝 擊強化影響深度。
[0011] 熔覆層數膚艮據公式
【權利要求】
1. 一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：利用雷射衝擊強化與雷射 熔覆技術相結合，針對損傷溝槽深度達到1mm以上的金屬損傷件，將損傷溝槽按照雷射衝 擊強化對熔覆層的影響深度分為多個層次，先採用無吸收層雷射衝擊強化直接處理溝槽底 部表面，去除表面雜質，同時細化表層晶粒，後採用雷射熔覆形成給定厚度的的熔覆層；接 下來每一層都採用先無吸收層雷射衝擊強化然後雷射熔覆的組合工藝，直到熔覆層完全填 滿損傷溝槽並高出金屬件表面，接著採用機械加工的方法切削高出試樣表面的熔覆層，並 用砂紙打磨，對雷射熔覆層上表面進行大面積搭接的雷射衝擊強化。
2. 如權利要求1所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於具體步 驟如下： (1) 選取雷射衝擊強化工藝參數，包括雷射脈衝能量、脈寬、光斑直徑、橫向搭接率和 縱向搭接率，對熔覆層進行雷射衝擊強化試驗，獲得雷射衝擊強化的影響深度a，據此設置 單個雷射熔覆層的厚度b，根據損傷件溝槽深度h及b確定熔覆層數 (2) 採用無吸收層雷射衝擊強化對基材溝槽的表面進行預處理，即表面不塗覆吸收 層，使用流水作為透明約束層，用以去除基材溝槽表面的雜質，細化表層晶粒並使其結構更 為緊密； (3) 進行第一層雷射熔覆，在預處理過的溝槽表面預置一層厚度為b的熔覆粉末，使 用光纖雷射器對其進行雷射熔覆，視為熔覆層1 ; (4) 待熔覆層1凝固成型後，在熔覆層1上表面進行無吸收層雷射衝擊強化，用以去除 熔覆層1表面的雜質，細化表層晶粒並使其結構更為緊密，從而促使熔覆層2與熔覆層1的 結合效果更好；在無吸收層雷射衝擊強化過的熔覆層1表面再預置一層厚度為b的熔覆粉 末，同樣使用光纖雷射器對其進行雷射熔覆，視為熔覆層2 ;該過程中雷射衝擊強化及雷射 熔覆的參數分別與步驟（2)和（3)相同； (5) 如此依次重複操作，直到雷射熔覆層完全填滿溝槽並高出金屬件表面，完成第# 次雷射熔覆，最後採用機械加工的方法切削高出試樣表面的熔覆層，並用砂紙打磨；重複操 作過程中，每一層都是採用先無吸收層雷射衝擊強化然後雷射熔覆的組合工藝，最後一層 即第_熔覆完成後直接切割打磨，雷射衝擊強化及雷射熔覆的參數分別與步驟（2)和（3) 相同； (6) 在打磨後的熔覆層覆蓋鋁箔作為吸收層，在吸收層上方覆蓋1-2mm流水作為約束 層，對熔覆層表面進行大面積搭接的雷射衝擊強化，完成目標損傷件修復；該過程中的有吸 收層雷射衝擊強化工藝參數與步驟（2)中無吸收層雷射衝擊強化參數一致。
3. 如權利要求2所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：步驟 (1)中，雷射衝擊強化可有效提高熔覆層的力學性能，其影響深度即為力學性能提高的深 度，因此所述的雷射衝擊熔覆層的影響深度a可通過測量深度方向上的硬度強化深度方式 獲得。
4. 如權利要求2所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：步驟 (1)中，單個熔覆層的厚度b設定為2a/3,取值範圍為0.3- 0.8mm，a為熔覆層雷射衝擊 強化影響深度。
5. 如權利要求2所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：步驟 (1)中，熔覆層數膚艮據公式 確定，廊I整數；b為單個熔覆層的厚度，h為損
傷件溝槽深度。
6. 如權利要求2所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：無吸 收層和有吸收層雷射衝擊強化的工藝參數範圍同樣為：雷射脈衝能量3-12J，脈寬5-20 ns，光斑直徑1-3mm，橫向搭接率和縱向搭接率均為30%-50%。
7. 如權利要求2所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：雷射 熔覆工藝參數範圍如下：雷射功率400-1800W、掃描速度4-9mm/s、光斑直徑1-3mm、搭接 率 30-50%、保護氣Ar3-5L/min。
8. 如權利要求2所述的一種金屬損傷件雷射熱力組合再製造方法，其特徵在於：步驟 (5)中，用砂紙打磨使其粗糙度小於或等於Ra0.4ym。
【文檔編號】C23C24/10GK104480476SQ201410631969
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】羅開玉, 景祥, 魯金忠, 劉波 申請人:江蘇大學