一种金属损伤件激光热力组合再制造方法技术

本发明专利技术涉及激光加工领域，特指一种金属损伤件激光热力组合再制造方法。针对损伤沟槽深度达到1 mm以上的金属损伤件，将损伤沟槽按照激光冲击强化对熔覆层的影响深度分为多个层次，先采用无吸收层激光冲击强化直接处理沟槽底部表面，去除表面杂质，同时细化表层晶粒，后采用激光熔覆形成给定厚度的的熔覆层；接下来每一层都采用先无吸收层激光冲击强化然后激光熔覆的组合工艺，直到熔覆层完全填满损伤沟槽并高出金属件表面，接着采用机械加工的方法切削高出试样表面的熔覆层，并用砂纸打磨，对激光熔覆层上表面进行大面积搭接的激光冲击强化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光加工领域，特指一种金属损伤件激光热力组合再制造方法，特别适用于修复损伤较深的金属件。
技术介绍
激光熔覆是一种新的表面改性技术，通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性的工艺方法，从而达到表面改性或修复的目的，既满足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素。激光冲击强化是一种新型的材料表面强化技术，利用强激光诱导的冲击波力学效应对材料进行加工，具有高压、高能、超快和超高应变率等特点，其形成的高能量冲击波能细化材料晶粒尺寸，使材料组织排列更为紧密，降低孔隙率，能够显著提高金属零件的疲劳寿命以及抗腐蚀和抗磨损能力；大量的研究证明激光冲击强化技术是延长裂纹萌生时间降低裂纹扩展速度提高材料寿命的有效手段。航空关键件出现局部损伤，其他部件往往还有很大的承载能力，延长损伤关键件的服役寿命和提高其可靠性已经成为机械构件再制造工程中的核心科学问题之一；激光热力复合再制造即对损伤关键件先进行激光熔覆修复、恢复尺寸，然后进行激光冲击强化细化晶粒并提高其性能。然而激光冲击强化只能对金属表面以下1 mm深度内的区域产生影响，因此当部件的损伤深度超过1 mm时，在较深的区域激光冲击强化就无法起到改善其性能的作用，其熔覆层由于热效应引起的缺陷及结构疏松会导致机械性能较差，容易产生疲劳失效。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种金属损伤件激光热力组合再制造方法，即利用激光冲击强化与激光熔覆技术相结合，针对损伤沟槽深度达到1 mm以上的金属损伤件，将损伤沟槽按照激光冲击强化对熔覆层的影响深度分为多个层次，先采用无吸收层激光冲击强化直接处理沟槽底部表面，去除表面杂质，同时细化表层晶粒，后采用激光熔覆形成给定厚度的熔覆层；接下来每一层都采用先无吸收层激光冲击强化然后激光熔覆的组合工艺，直到熔覆层完全填满损伤沟槽并高出金属件表面，接着采用机械加工的方法切削高出试样表面的熔覆层，并用砂纸打磨，对激光熔覆层上表面进行大面积搭接的激光冲击强化。上述无吸收层激光冲击强化就是在激光冲击强化过程中基材与约束层之间不涂覆任何吸收材料；相反，有吸收层激光冲击强化就是在基材与约束层之间涂覆一层吸收层，用于吸收激光能量，防止材料表层被烧蚀；吸收层材料一般选用金属铝箔等。其具体步骤为：(1) 选取激光冲击强化工艺参数，包括激光脉冲能量、脉宽、光斑直径、横向搭接率和纵向搭接率，对熔覆层进行激光冲击强化试验，获得激光冲击强化的影响深度a，据此设置单个激光熔覆层的厚度b，根据损伤件沟槽深度h及b确定熔覆层数N。在上述步骤中，激光冲击强化可有效提高熔覆层的力学性能，其影响深度即为力学性能提高的深度，因此所述的激光冲击熔覆层的影响深度a可通过测量深度方向上的硬度强化深度等方式获得。单个熔覆层的厚度b设定为2a/3，取值范围为 0.3- 0.8 mm， a为熔覆层激光冲击强化影响深度。熔覆层数N根据公式确定，N取整数；b为单个熔覆层的厚度，h为损伤件沟槽深度。无吸收层和有吸收层激光冲击强化的工艺参数范围同样为：激光脉冲能量3-12 J，脉宽5-20 ns，光斑直径1-3 mm，横向搭接率和纵向搭接率均为30%-50%。激光熔覆工艺参数范围如下：激光功率400-1800 W、扫描速度4-9 mm/s、光斑直径1-3 mm、搭接率30-50%、保护气Ar 3-5 L/min。(2) 采用无吸收层激光冲击强化对基材沟槽的表面进行预处理，即表面不涂覆吸收层，使用流水作为透明约束层，用以去除基材沟槽表面的杂质，细化表层晶粒并使其结构更为紧密；无吸收层激光冲击强化过程中工艺参数范围为：激光脉冲能量3-12 J，脉宽5-20 ns，光斑直径1-3 mm，横向搭接率和纵向搭接均为30%-50%。(3) 进行第一层激光熔覆，在预处理过的沟槽表面预置一层厚度为b的熔覆粉末，使用光纤激光器对其进行激光熔覆，视为熔覆层1；激光熔覆参数范围如下：激光功率400-1800 W、扫描速度4-9 mm/s、光斑直径1-3 mm、搭接率30-50%、保护气Ar 3-5 L/min。(4) 待熔覆层1凝固成型后，在熔覆层1上表面进行无吸收层激光冲击强化，用以去除熔覆层1表面的杂质，细化表层晶粒并使其结构更为紧密，从而促使熔覆层2与熔覆层1的结合效果更好；在无吸收层激光冲击强化过的熔覆层1表面再预置一层厚度为b的熔覆粉末，同样使用光纤激光器对其进行激光熔覆，视为熔覆层2；该过程中激光冲击强化及激光熔覆的参数分别与步骤(2)和(3)相同。(5) 如此依次重复操作，直到激光熔覆层完全填满沟槽并高出金属件表面，完成第N次激光熔覆，最后采用机械加工的方法切削高出试样表面的熔覆层，并用砂纸打磨使其粗糙度小于或等于 Ra 0.4 μm；重复操作过程中，每一层都是采用先无吸收层激光冲击强化然后激光熔覆的组合工艺，最后一层即第N层熔覆完成后直接切割打磨，激光冲击强化及激光熔覆的参数分别与步骤(2)和(3)相同。(6) 在打磨后的熔覆层覆盖铝箔作为吸收层，在吸收层上方覆盖1-2 mm流水作为约束层，对熔覆层表面进行大面积搭接的激光冲击强化，横向和纵向的搭接率均为30%-50%，完成目标损伤件修复；该过程中的有吸收层激光冲击强化工艺参数与步骤(2)中无吸收层激光冲击强化参数一致。本专利技术的有益效果：采用上述方法进行金属损伤件的激光热力组合再制造，可以通过无吸收层激光冲击强化使表层金属汽化，从而去除沟槽底部表面和每一激光熔覆层的表面杂质，细化沟槽底部表面和每一激光熔覆层表层的晶粒尺寸，加强激光熔覆层与沟槽底部表面、激光熔覆层与激光熔覆层之间的结合强度，使沟槽微观结构更加紧密，并且损伤试样表面采用大面积搭接的激光冲击强化能在金属损伤件表层诱导较深的残余压应力，并细化表层晶粒，提高修复区域的机械性能。附图说明图1为金属损伤件激光热力组合再制造方法的示意图。图2为金属损伤件激光热力组合再制造方法的加工流程图。图3为仅采用多道激光熔覆修复316L不锈钢损伤件尺寸后所得基体与熔覆层搭界区的截面金相组织图；激光熔覆加工参数如下：激光功率1400 W、扫描速度4 mm/s、光斑直径3 mm、搭接率50%、保护气Ar 5 L/min。图4为按照本文所述步骤进行激光热力组合再制造方法修复316L不锈钢试样所得基体与熔覆层搭界区的截面金相组织图；激光冲击强化参数如下：激光能量8J、脉宽10 ns、光斑直径3 mm、搭接率50%；激光熔覆加工参数如下：激光功率1400 W、扫描速度4 mm/s、光斑直径3 mm、搭接率50%、保护气Ar 5 L/min。图5为仅采用多道激光熔覆修复316L不锈钢损伤件尺寸后所得熔覆层表层的截面金相组织图；激光熔覆加工参数如下：激光功率1400 W、扫描速度4 mm/s、光斑直径3 mm、搭接率50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属损伤件激光热力组合再制造方法，其特征在于：利用激光冲击强化与激光熔覆技术相结合，针对损伤沟槽深度达到1 mm以上的金属损伤件，将损伤沟槽按照激光冲击强化对熔覆层的影响深度分为多个层次，先采用无吸收层激光冲击强化直接处理沟槽底部表面，去除表面杂质，同时细化表层晶粒，后采用激光熔覆形成给定厚度的的熔覆层；接下来每一层都采用先无吸收层激光冲击强化然后激光熔覆的组合工艺，直到熔覆层完全填满损伤沟槽并高出金属件表面，接着采用机械加工的方法切削高出试样表面的熔覆层，并用砂纸打磨，对激光熔覆层上表面进行大面积搭接的激光冲击强化。

【技术特征摘要】
1.一种金属损伤件激光热力组合再制造方法，其特征在于：利用激光冲击强化与激光熔覆技术相结合，针对损伤沟槽深度达到1 mm以上的金属损伤件，将损伤沟槽按照激光冲击强化对熔覆层的影响深度分为多个层次，先采用无吸收层激光冲击强化直接处理沟槽底部表面，去除表面杂质，同时细化表层晶粒，后采用激光熔覆形成给定厚度的的熔覆层；接下来每一层都采用先无吸收层激光冲击强化然后激光熔覆的组合工艺，直到熔覆层完全填满损伤沟槽并高出金属件表面，接着采用机械加工的方法切削高出试样表面的熔覆层，并用砂纸打磨，对激光熔覆层上表面进行大面积搭接的激光冲击强化。
2.如权利要求1所述的一种金属损伤件激光热力组合再制造方法，其特征在于具体步骤如下：
(1) 选取激光冲击强化工艺参数，包括激光脉冲能量、脉宽、光斑直径、横向搭接率和纵向搭接率，对熔覆层进行激光冲击强化试验，获得激光冲击强化的影响深度a，据此设置单个激光熔覆层的厚度b，根据损伤件沟槽深度h及b确定熔覆层数N；
(2) 采用无吸收层激光冲击强化对基材沟槽的表面进行预处理，即表面不涂覆吸收层，使用流水作为透明约束层，用以去除基材沟槽表面的杂质，细化表层晶粒并使其结构更为紧密；
(3) 进行第一层激光熔覆，在预处理过的沟槽表面预置一层厚度为b的熔覆粉末，使用光纤激光器对其进行激光熔覆，视为熔覆层1；
(4) 待熔覆层1凝固成型后，在熔覆层1上表面进行无吸收层激光冲击强化，用以去除熔覆层1表面的杂质，细化表层晶粒并使其结构更为紧密，从而促使熔覆层2与熔覆层1的结合效果更好；在无吸收层激光冲击强化过的熔覆层1表面再预置一层厚度为b的熔覆粉末，同样使用光纤激光器对其进行激光熔覆，视为熔覆层2；该过程中激光冲击强化及激光熔覆的参数分别与步骤(2)和(3)相同；
(5) 如此依次重复操作，直到激光熔覆层完全填满沟槽并高出金属件表面，完成第N次激光熔覆，最后采用机械加工的方法切削高出试样表面的熔覆层，并用...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗开玉，景祥，鲁金忠，刘波，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32