一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種金屬裂紋修復(fù)方法，特別是關(guān)于一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]裂紋損傷是金屬零部件失效的最廣泛的形式之一。當(dāng)出現(xiàn)裂紋時，零部件強度及可靠性會迅速下降，容易造成安全隱患。目前關(guān)于出現(xiàn)裂紋損傷的零部件，尤其當(dāng)出現(xiàn)深層裂紋時，一般情況下處于安全考慮均會做報廢處理。但對于具有高成本及高附加值的產(chǎn)品，例如航空發(fā)動機葉片等，報廢處理會造成極大的經(jīng)濟損失。
[0003]對于表層金屬裂紋，目前利用激光的處理辦法已經(jīng)取得較好的修復(fù)效果。但對于深層裂紋，在不影響基體性能的前提下，因能量或外來填充物質(zhì)難以觸及深層裂紋，目前并沒有很好的處理方式。
[0004]相對于激光處理，脈沖電流在深層裂紋處理方面具有不可比擬的優(yōu)勢。例如可自動檢測裂紋損傷位置，處理時間短，不影響基體性能等。但利用脈沖電流實現(xiàn)金屬裂紋的愈合建立在電流的繞流效應(yīng)基礎(chǔ)之上，當(dāng)裂紋較深時，繞流效應(yīng)較為明顯，此時利用脈沖電流可取得較好的裂紋愈合效果。但對于表層裂紋，繞流效應(yīng)較弱，愈合效果并不明顯。
[0005]綜上所述，目前還沒有一種可以完全修復(fù)深層裂紋的金屬裂紋愈合方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明要設(shè)計一種可以完全修復(fù)深層裂紋的深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法，所述的深層半埋藏金屬裂紋是指橫截面積小于20mmX20mm的板條狀金屬零部件中發(fā)生的深層半埋藏裂紋損傷，且裂紋兩側(cè)面最大間距小于30 μ m的裂紋損傷；
[0008]裂紋修復(fù)設(shè)備為脈沖電流沖擊裝置和半導(dǎo)體激光器，所述的脈沖電流沖擊裝置包括控制器、充電器、電容器組、高壓開關(guān)、設(shè)備夾具A、設(shè)備夾具B、零部件保護夾具和示波器，所述的控制器分別連接充電器和高壓開關(guān)，所述的充電器分別與電容器組和高壓開關(guān)連接，所述的高壓開關(guān)還與設(shè)備夾具B連接，所述的電容器組的接地端還與設(shè)備夾具A連接，所述的示波器通過羅果夫斯基線圈圈套在高壓開關(guān)與設(shè)備夾具B間的導(dǎo)線上，所述的零部件保護夾具為獨立組件，工作時，用于夾持住裂紋損傷零部件；
[0009]所述的零部件保護夾具包括兩絕緣片和兩夾片，通過螺栓和螺母夾持在裂紋損傷零部件的中部；
[0010]具體方法包括以下步驟:
[0011]A、準備工作:
[0012]Al、清洗裂紋損傷零部件；
[0013]將裂紋損傷零部件浸沒在丙酮溶液中，在30-40°C溫度下，用超聲波清洗機清洗20-25分鐘，借此分離裂紋損傷零部件中的油污并去除表面污垢；
[0014]A2、用零部件保護夾具夾持住清洗過的裂紋損傷零部件；
[0015]在裂紋損傷零部件的兩側(cè)面上下各設(shè)置一絕緣片，并在每一絕緣片的外側(cè)各設(shè)置一夾片，夾片的兩端各自通過螺栓和螺母將裂紋損傷零部件、絕緣片和夾片固定成一體，以抑止脈沖放電時可能出現(xiàn)的熔融金屬噴發(fā)現(xiàn)象；
[0016]B、修復(fù)裂紋損傷零部件:
[0017]B1、將裂紋損傷零部件用設(shè)備夾具A和設(shè)備夾具B固定。通過控制器控制充電器，使電容器組在5000V充電電壓下儲能，所需充電時間t = 20k,單位為s，其中，k為電容器組所采用獨立電容器的個數(shù)，每個獨立電容器電容值為20 μ F。
[0018]充電完成后，通過控制器觸發(fā)高壓開關(guān)，電流從電容器組經(jīng)由設(shè)備夾具A和設(shè)備夾具B傳送到與之相連的裂紋損傷零部件上，脈沖電流流經(jīng)裂紋損傷區(qū)域時，電流會沿裂紋面運動到裂紋尖端，在裂紋尖端處形成密度值極高的電流場，電磁熱效應(yīng)使得裂紋尖端獲得超過金屬材料熔點的溫升，同時較高的溫度梯度場導(dǎo)致了壓應(yīng)力場的產(chǎn)生，促使裂紋兩側(cè)面發(fā)生貼合并形成愈合區(qū)，從而實現(xiàn)裂紋愈合作用。
[0019]逐漸增大電容器組的電容值，直到線電流密度J在12.1±0.5kA/mm范圍時，停止增大電容器組的電容值，即達到要求的線電流密度，此時愈合現(xiàn)象開始出現(xiàn)。
[0020]通過示波器記錄脈沖放電過程中的峰值電流I，并利用其計算裂紋尖端處的線電流密度值J，以校驗所選擇的電容值是否適合用于修復(fù)裂紋，并使之愈合，其計算公式如下:
[0021]J = I.a/ (h.w)
[0022]其中，a是裂紋尖端至零部件上表面的垂直距離，單位為mm。h是零部件高度，單位為mm。w為零部件寬度，單位為mm。I為脈沖放電過程中的峰值電流，單位為kA。
[0023]B2、固定電容器組電容值；
[0024]通過控制器控制充電器，使電容器組按照每次增加充電電壓500V的方式，即在5500V、6000V、6500V、……、10000V的充電電壓下儲能，充電完成后，通過控制器控制高壓開關(guān)觸發(fā)，完成脈沖放電處理。在多次脈沖放電過程中，愈合區(qū)會逐漸從裂紋尖端向零部件上表面推進，且愈合區(qū)之間互相互重疊。
[0025]B3、在逐次增加充電電壓進行脈沖放電處理的過程中，每完成四次脈沖放電處理后，將裂紋損傷零部件分別從設(shè)備夾具A、設(shè)備夾具B和零部件保護夾具中拆除，利用滲透檢測技術(shù)檢測裂紋愈合效果。若裂紋尖端距上表面距離已至2mm，停止脈沖放電處理，轉(zhuǎn)步驟B4。否則，清除檢測后的表面殘留物，轉(zhuǎn)步驟B2。
[0026]B4、脈沖電流處理完成后，利用半導(dǎo)體激光器對裂紋損傷零部件上表面進行激光重熔處理。激光重熔過程中，所選用的參數(shù)如下:功率:2200W，運動速度:3mm/s，激光束直徑:4_。激光束運動起始位置與結(jié)束位置各向兩側(cè)面偏移3-4_，以使激光束在處理裂紋損傷零部件上表面時速度均一穩(wěn)定。
[0027]B5、激光重熔完成后，利用半導(dǎo)體激光器對裂紋損傷零部件上表面進行激光熔覆處理。激光熔覆過程中，所選用的參數(shù)如下:功率:2200W，速度:3-4mm/s，激光束直徑:4mm，同軸送粉器送粉速率:9-10g/min。激光熔覆過程中，選用與裂紋損傷零部件原有材料性能相近或優(yōu)于原有材料性能的鈦合金粉末。激光熔覆過程中激光運動軌跡與步驟B4相同。
[0028]B6、激光熔覆處理完成后，利用平面磨床對熔覆過的上表面做磨削處理，以恢復(fù)零部件原有尺寸特征。與此同時，若兩側(cè)面也有不平整的地方且影響使用性能，也需要利用平面磨床做磨削處理。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0030]1、本發(fā)明先用脈沖電流沖擊裝置處理深層裂紋，處理結(jié)束后深層裂紋轉(zhuǎn)化為表層裂紋，再用激光器處理表層裂紋，從而實現(xiàn)了完全修復(fù)深層裂紋的目的。
[0031]2、本發(fā)明利用脈沖電流實現(xiàn)深層裂紋的修復(fù)。脈沖電流流經(jīng)裂紋損傷區(qū)域時，會沿裂紋面運動至裂紋尖端。在裂尖處具有極高的電流密度，在焦耳熱效應(yīng)的作用下可獲得超過材料熔點的溫升。極短的電流持續(xù)時間使得裂尖處獲得較高的溫度梯度并產(chǎn)生壓應(yīng)力，促使裂紋面發(fā)生貼合形成愈合作用。
[0032]3、本發(fā)明利用激光重熔實現(xiàn)表層裂紋的修復(fù)。激光重熔使得材料表面發(fā)生了快速融化-凝固的過程，在此過程中可實現(xiàn)表面裂紋的修復(fù)。同時在激光重熔過程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時急冷重結(jié)晶獲得的組織有較高的硬度、耐磨性和抗蝕性。
[0033]4、本發(fā)明采用激光熔覆與磨床磨削加工可以保證尺寸精度。激光重熔后會使得表面不平整，激光熔覆處理可以填補表面凹陷，磨削加工可使表面形貌回復(fù)原有狀態(tài)。
[0034]5、本發(fā)明采用的脈沖電流及激光在裂紋損傷位置引起的升溫及降溫過程非常迅速，不會對基體組織、性能產(chǎn)生不良影響。
[0035]6、通過本發(fā)明處理后，原有的裂紋可實現(xiàn)基本消除。針對不同裂紋損傷程度及不同形狀的零部件均可做修復(fù)處理。鑒于以上理由，本發(fā)明可以廣泛用于金屬材料修復(fù)領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明所采用的脈沖放電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2是本發(fā)明所采用的零部件保護夾具示意圖。
[0038]圖3是本發(fā)明所采用的激光束運動軌跡示意圖。
[0039]圖中:1、控制器，2、充電器，3、電容器組，4、高壓開關(guān)，5、設(shè)備夾具A，6、零部件保護夾具，7、示波器，8、裂紋損傷零部件，9、同軸送粉器，10、激光束，11、設(shè)備夾具B，61、絕緣片，62、夾片，63、螺栓，64、螺母。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。
[0041]如圖1-3所示，一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法，所述的深層半埋藏金屬裂紋是指橫截面積小于20mmX20mm的板條狀金屬零部件中發(fā)生的深層半埋藏裂紋損傷，且裂紋兩側(cè)面最大間距小于30 μ m的裂紋損傷；
[0042]裂紋修復(fù)設(shè)備為脈沖電流沖擊裝置和半導(dǎo)體激光器，所述的脈沖電流沖擊裝置包括控制器1、充電器2、電容器組3、高壓開關(guān)4、設(shè)備夾具A5、設(shè)備夾具B11、零部件保護夾具6和示波器7，所述的控制器I分別連接充電器2和高壓開關(guān)4，所述的充電器2分別與電容器組3和高壓開關(guān)4連接，所述的高壓開關(guān)4還與設(shè)備夾具Bll連接，所述的電容器組3的接地端還與設(shè)備夾具A5連接，所述的示波器7通過羅果夫斯基線圈圈套在高壓開關(guān)4與設(shè)備夾具Bll間的導(dǎo)線上，所述的零部件保護夾具6為獨立組件，工作時，用于夾持住裂紋損傷零部件8 ；
[0043]所述的零部件保護夾具6包括兩絕緣片61和兩夾片62，通過螺栓63和螺母64夾持在裂紋損傷零部件8的中部；
[0044]具體方法包括以下步驟:
[0045]A、準備工作:
[0046]Al、清洗裂紋損傷零部件8 ;
[0047]將裂紋損傷零部件8浸沒在丙酮溶液中，在30_40°C溫度下，用超聲波清洗機清洗20-25分鐘，借此分離裂紋損傷零部件8中的油污并去除表面污垢；
[0048]A2、用零部件保護夾具6夾持住清洗過的裂紋損傷零部件8 ；
[0049]在裂紋損傷零部件8的兩側(cè)面上下各