專利名稱：一種高溫疲勞損傷件的再制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫疲勞部件的再制造技術(shù)領(lǐng)域，特指鋼鐵冶煉生產(chǎn)裝備高溫?fù)p傷部件的再 制造方法，尤其適用于表面有微小裂紋(或損傷)的球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件的再制造。
背景技術(shù)：
目前，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人口的迅猛增長，水、土地、能源和礦產(chǎn)資源的缺乏將會 越來越嚴(yán)重，迫切需要節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)。這就意味著大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，加速構(gòu)建節(jié)約 型社會的顯得尤為重要和迫切。產(chǎn)品再制造的可行性和可行度是發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)首要面臨的 問題，特別是產(chǎn)品附加值(人力、能源等)高的關(guān)鍵零件是否可以修復(fù)而不需要替換。零件 剩余疲勞壽命是否足夠維持下一個生命周期，是再制造面臨的重要技術(shù)問題。零件失效的主 要形式有斷裂、磨損、腐蝕和變形，其中，磨損、腐蝕和變形比較直觀或者易于檢測，只有 引起斷裂的疲勞壽命不易檢測，因此研究再制造產(chǎn)品關(guān)鍵零件剩余疲勞壽命和產(chǎn)品的再制造 性具有重要的意義。
球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件在常溫到高溫的環(huán)境中往復(fù)運(yùn)行工作時，其運(yùn)行過程中溫度在
常溫至io5crc的交變溫度環(huán)境中長期運(yùn)行，在這樣的交變溫度場中循環(huán)往復(fù)運(yùn)行，由于交變 高溫環(huán)境形成復(fù)雜的熱膨脹和交變熱應(yīng)力，導(dǎo)致耐熱件服役壽命短，在這種激冷激熱環(huán)境中， 經(jīng)過一定的使用周期后，零部件內(nèi)部存在的細(xì)小裂紋、夾雜、偏析等缺陷，在循環(huán)應(yīng)力作用 下，不可避免地出現(xiàn)微小裂紋。微小裂紋一旦產(chǎn)生就會順勢擴(kuò)展，進(jìn)而失效引發(fā)安全事故。 為了發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和確保結(jié)構(gòu)的安全使用，對其進(jìn)行再制造是十分必要的?？紤]到球團(tuán)冶煉 生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件的特殊運(yùn)行環(huán)境，本發(fā)明技術(shù)將對這些有微小裂紋(或損傷)的生產(chǎn)裝備關(guān) 鍵件進(jìn)行離子注入與激光沖擊復(fù)合處理。離子注入可以填補(bǔ)微小裂紋，在注入過程中可引入 大量溶質(zhì)原子和空位，形成各種位錯，并析出金屬化合物或各種合金相，使材料強(qiáng)化，改善
抗磨損特性，抗高溫氧化性，提高疲勞抗力或控制改性層使其韌化；再對其激光沖擊處理， 在激光沖擊波的高壓作用下，金屬表面發(fā)生微塑性變形，形成高幅值殘余壓應(yīng)力層，從而有 效地改善了金屬材料的機(jī)械性能，尤其是疲勞壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種表面有微小裂紋的球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件的再制造方法。
一種表面有微小裂紋的球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件的再制造方法，其特征在于
(1 )本發(fā)明在再制造前后在球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件材料處理部位都進(jìn)行表面無損檢測，無損檢測傳感器通過誤差分離的方法檢測材料表面信號，信號中包括工件的粗糙度、硬度、 裂紋、不均勻度等各種表面缺陷信息，這樣能精確定位復(fù)合處理部位。
(2)零件經(jīng)研磨拋光后用丙酮和無水酒精進(jìn)行仔細(xì)清洗和去油，在全方位離子注入機(jī)上進(jìn) 行離子注入,全方位注入機(jī)消除了普通束線離子注入只能沿一個方向注入的局限性，處理成本 較低。注入離子應(yīng)根據(jù)損傷件的工作環(huán)境選擇(見圖3),注入時靶室系統(tǒng)真空度維持在 10_3 10—sPa之間，通水冷卻，能量在30 200keV，束流密度為6 30wA/cw2，注入劑量為 10I5 1018ions/cw2，注入時最大溫度不超過20(TC，注入溫度直接用熱電偶測定。
(3) 激光沖擊處理時，先在工件表面涂覆黑漆涂層，用水做保護(hù)層，對構(gòu)件表面的微小 裂紋處進(jìn)行激光沖擊處理。在采用激光沖擊強(qiáng)化過程中，激光輸出波長為1.054Wn,輸出激 光的脈沖寬度(FWHM)為20ns，激光脈沖能量約為25J，在激光沖擊波的高壓作用下，金屬 表面發(fā)生微塑性變形，形成高幅值殘余壓應(yīng)力層，從而有效地使裂紋閉合，改善了金屬材料 的機(jī)械性能，特別能大幅度提高材料的疲勞壽命、抗應(yīng)力腐蝕性能，沖擊處理后用丙酮和無 水酒精進(jìn)行清洗并干燥。
(4) 本發(fā)明方法的再制造處理工藝中，針對表面無損檢測出的微小裂紋構(gòu)件及表面缺陷， 局部范圍內(nèi)有針對的復(fù)合處理，而不是大面積整個零件復(fù)合處理，并且在處理過程中，根據(jù) 工件服役環(huán)境和條件來選定離子注入的成分及激光沖擊的能量參數(shù)。因此能有效節(jié)約資源和 能源，顯著降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明充分結(jié)合了離子注入工藝和激光沖擊工藝的特點，離子注入工藝可控制在低溫或
室溫下進(jìn)行，能保持構(gòu)件原有的尺寸精度和表面粗糙度，不影響待處理材料的整體性能；而 激光沖擊過程中時間特別短(20ns)應(yīng)變率高(107s-0，是高應(yīng)變率冷塑性強(qiáng)化變形技術(shù)， 特別適用于工件的易疲勞斷裂區(qū)域，特別是應(yīng)力集中區(qū)域表面強(qiáng)化改性，將這兩者結(jié)合起來, 可以對金屬材料進(jìn)行全方位綜合表面改性強(qiáng)化。
本發(fā)明再制造方法的創(chuàng)新，最重要的是經(jīng)過再制造后，球團(tuán)冶煉關(guān)鍵件基體表層形成一 種致密的氧化物，能有效提高高溫抗氧化性能，同時產(chǎn)生高幅殘余壓應(yīng)力，且這種殘余壓應(yīng) 力能有效地使裂紋閉合，能夠使初始裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段后移，并可提高疲勞擴(kuò)展門檻應(yīng)力強(qiáng) 度因子，達(dá)到提高疲勞壽命的目的，并對再制造后構(gòu)件疲勞壽命進(jìn)行合理估算。通過對構(gòu)件 再制造前后疲勞壽命的預(yù)測，這樣可以預(yù)測構(gòu)件服役終止后的返回量及其花費的時間，產(chǎn)生 最大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。這是本發(fā)明方法的最大特點。
本發(fā)明的優(yōu)點如下
(1)該方法再制造后其壽命是可靠的，足以維持下一個生命周期。這樣對于設(shè)備的全生 命周期設(shè)計、維修和服役期限能夠有效管理，更重要的是能夠節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對 于加速構(gòu)建節(jié)約型社會，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
4(2) 由于再制造中離子注入元素的種類、劑量、能量均可精確控制，該方法能夠滿足工 件的多種性能要求這種再制造處理方法不僅能使球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵零部件表面的微小 裂紋閉合，并且能對表層進(jìn)行強(qiáng)化改性處理，而且適用于于球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備其它結(jié)構(gòu)件, 提高工件耐磨性、減摩性、抗高溫氧化性及耐腐蝕性，所以工件的疲勞壽命大大提高。
(3) 該再制造方法適用于對表面不規(guī)則部件、薄件、小孔、溝槽和大結(jié)構(gòu)件局部進(jìn)行處 理，再制造處理后材料表面的變形很小，不影響材料心部性能。且處理后工件基本不變形、 外觀均勻、表面粗糙度好，可作為零件最終處理。
(4) 該再制造方法環(huán)保性優(yōu)異，沒有任何二次污染。


圖l高溫疲勞損傷件的再制造方法流程圖 圖2高溫疲勞損傷件的再制造工藝流程圖。
圖3注入不同離子元素提高金屬材料的力學(xué)性能
具體實施例方式
本方法工藝流程如圖2所示，具體步驟為第一步，確定故障零部件，對其進(jìn)行無損檢測， 對表面微小裂紋(或損傷)和缺陷處進(jìn)行定位；第二步，對于符合再制造的零部件，研磨拋 光后用丙酮和無水酒精進(jìn)行仔細(xì)清洗和去油；第三步，在全方位離子注入機(jī)上進(jìn)行離子注入。 注入離子應(yīng)根據(jù)損傷件的工作環(huán)境選擇(見圖3),本實施例離子注入?yún)?shù)為注入離子為
AT，注入時靶室系統(tǒng)真空度為5Xi(^Pa，通水冷卻，能量為80keV,束流密度為8yA/cw2，注 入劑量為2Xio"ions/cw2，注入時最大溫度不超過200'C，注入溫度直接用熱電偶測定。離 子注入工藝過程為:入爐一抽真空一加熱一離子注入一冷卻一出爐；第四步，離子注入后進(jìn)行 激光沖擊強(qiáng)化處理，在采用激光沖擊強(qiáng)化過程中，激光輸出波長為1.054m,輸出激光的脈沖 寬度(FWHM)為20ns,激光脈沖能量約為25J，脈沖激光經(jīng)過光學(xué)鏡片聚焦后，光斑匯聚在零 件損傷部位處，沖擊處理后用丙酮和無水酒精進(jìn)行清洗并干燥；第五步，對修復(fù)件進(jìn)行檢測、 評估并估算其剩余疲勞壽命。球團(tuán)冶煉裝備高溫?fù)p傷部件12CrMoV小軸再制造后壽命大大延 長，檢測其表面力學(xué)性能，并與處理前對比，耐熱零部件平均壽命由1.5年提高到4年以上， 從而極大地提高了疲勞壽命。研究結(jié)果表明，這種修復(fù)強(qiáng)化后零件硬度顯著提高，其表面由 殘余應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力狀態(tài)，最大硬度提高幅度高達(dá)3倍，從而其疲勞壽命和耐磨 性等性能顯著改善，這對改進(jìn)球團(tuán)冶煉裝備關(guān)鍵零部件性能具有重要意義。
權(quán)利要求
1.一種高溫疲勞損傷件的再制造方法，其特征在于所述的高溫疲勞損傷件的再制造方法為離子注入與激光沖擊的有效復(fù)合處理；先對高溫疲勞損傷件研磨拋光后清洗和去油；然后進(jìn)行離子注入，在全方位離子注入機(jī)上進(jìn)行離子注入，溫度應(yīng)控制在不引起裂紋變形溫度下，注入元素根據(jù)球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備各零部件的工作環(huán)境選定；再進(jìn)行激光沖擊處理，先在工件表面涂覆黑漆涂層，用水做保護(hù)層，對構(gòu)件表面的微小裂紋處進(jìn)行激光沖擊處理；最后對修復(fù)件進(jìn)行檢測、評估并估算其剩余疲勞壽命。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫疲勞損傷件的再制造方法，其特征在于在進(jìn)行再制造前, 先根據(jù)無損檢測確定球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件表面裂紋情況，對其進(jìn)行篩選，對于符合再 制造的零部件進(jìn)行再制造，再制造后的零部件進(jìn)行檢測及剩余疲勞壽命評估；符合再制造 的零部件其評價準(zhǔn)則為，零部件表面的微小裂紋其深度不能超過球團(tuán)冶煉生產(chǎn)裝備零部件厚度的5%，寬度以離子注入完全填補(bǔ)裂紋為宜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高溫疲勞損傷件的再制造方法，其特征在于所述離子注入時，耙室系統(tǒng)真空度維持在10—s 10—sPa之間，通水冷卻，能量在30 200keV，束流密度為6 30uA/c附2，注入劑量為10" l(ysions/cw2,注入時最大溫度不超過20(TC，注入 溫度直接用熱電偶測定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高溫疲勞損傷件的再制造方法，將對有微小裂紋(或損傷)的生產(chǎn)裝備關(guān)鍵件進(jìn)行離子注入與激光沖擊復(fù)合處理。離子注入可以填補(bǔ)微小裂紋，在注入過程中可引入大量溶質(zhì)原子和空位，形成各種位錯，并析出金屬化合物或各種合金相，使材料強(qiáng)化，改善抗磨損特性，抗高溫氧化性，提高疲勞抗力或控制改性層使其韌化；再對其激光沖擊處理，在激光沖擊波的高壓作用下，金屬表面發(fā)生微塑性變形，形成高幅值殘余壓應(yīng)力層，從而有效地改善了金屬材料的機(jī)械性能，尤其是疲勞壽命。
文檔編號B23P15/00GK101633109SQ20091018430
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者任旭東, 馮愛新, 姜大偉, 田 張, 張永康, 朱圣財 申請人:江蘇大學(xué)