一種帶有預熱和熱處理的復雜零件分段激光熔覆再制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光熔覆再制造領域，特別是一種帶有預熱和熱處理的復雜零件分段 激光熔覆再制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相比于傳統(tǒng)的減材加工，激光熔覆是一種增材制造方法，是再制造領域的主要修 復技術(shù)之一，激光熔覆熱輸入量很小，因此基體變形小，基體對熔覆層的稀釋率小而且可以 控制，激光熔覆層與基體冶金結(jié)合性能好。因此被廣泛的應用于航空航天、醫(yī)學等領域。
[0003] 再制造技術(shù)是指以損傷零件作為毛坯，采用專有技術(shù)和工藝對損傷零件進行加 工，使之形狀、性能恢復或超過原本水平。以裂紋損傷為例，零件損傷存在不易發(fā)現(xiàn)、不規(guī)則 等特點，給激光熔覆修復帶來一定困難。
[0004] 激光熔覆是一個快速升溫冷卻的過程，熔池體積小、溫度梯度大、熱應力大等特點 使得熔覆層殘余應力很大極易產(chǎn)生裂紋等缺陷。對基體進行預熱和熱處理是一種控制熔覆 層應力的好辦法，用低功率激光束作為預熱和熱處理熱源是一種可行的方法，但不同的預 熱和熱處理激光功率、預熱的提前時間和熱處理滯后時間都會對殘余應力產(chǎn)生影響。
[0005] 周圣豐、戴曉琴公開了 CN201110352257.X-種具有預熱與后熱功能且高效的三光 束激光熔覆無裂紋涂層的方法，通過激光分束鏡將激光一分為二分別用作預熱和熱處理， 可以實現(xiàn)簡單零件的激光熔覆。然而三束激光始終在一平面，其熔覆路徑只能是直線，而零 件裂紋形狀復雜，而且長度很短，激光束軌跡必須與裂紋形狀時刻相匹配，此方法并不適 用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述問題本發(fā)明提供了一種帶有預熱和熱處理的復雜零件分段激光熔覆再 制造方法，利用簡單的激光熔覆裝置實現(xiàn)再制造激光熔覆的預熱和熱處理，有效減緩了熔 覆層裂紋的產(chǎn)生。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0008] -種帶有預熱和熱處理的復雜零件分段激光熔覆再制造方法，包括以下步驟： [0009]步驟一:在單道單層激光熔覆的基礎上，結(jié)合激光熔覆軌跡形狀和工件復雜程度 通過試錯和經(jīng)驗確定激光熔覆參數(shù)，包括激光熔覆功率、送粉量和掃描速度。
[0010]步驟二:根據(jù)步驟一所確定的激光熔覆參數(shù)，確定熔覆層顯微組織隨預熱激光功 率的變化曲線和熔覆層顯微組織隨熱處理激光功率的變化曲線;根據(jù)熔覆層顯微組織隨預 熱激光功率和熱處理激光功率的變化曲線選擇顯微硬度高且晶粒小的預熱激光功率和熱 處理激光功率；
[0011]再根據(jù)工件殘余應力隨預熱提前時間變化曲線和工件殘余應力隨熱處理滯后時 間變化曲線，選擇殘余應力小的激光預熱提前時間和熱處理滯后時間，預熱提前時間和熱 處理滯后時間選擇相同，且激光預熱的掃描速度和熱處理的掃描速度相同。
[0012] 步驟三:根據(jù)步驟二所確定的預熱提前時間和熱處理滯后時間確定每次激光熔覆 路徑長度并對工件進行分段激光熔覆，其中分段長度S計算方法如下：
[0013]
[0014] 其中：T為提前滯后時間，V是激光熔覆速度，VC是激光頭回程速度；
[0015] 激光頭回零后停留時間Ts的計算方法為：
[0016]
[0017] 本發(fā)明的有益效果:在單道單層激光熔覆的基礎上，結(jié)合激光熔覆軌跡形狀和工 件復雜程度通過試錯法確定激光熔覆參數(shù)，包括激光熔覆功率、送粉量和掃描速度。根據(jù)選 擇的激光熔覆參數(shù)以及加工后零件表面應力的要求選擇預熱處理和后處理的激光功率并 確定激光預熱的提前時間和熱處理滯后時間。根據(jù)激光預熱的提前時間和熱處理滯后時間 確定每次激光熔覆路徑長度，并對零件進行分段激光熔覆。相比于普通激光熔覆，預熱和熱 處理可以增加基體的溫度，延長熔池冷卻時間，是一種控制熔覆層應力，防止裂紋產(chǎn)生的好 辦法。相比于一種具有預熱與后熱功能且高效的三光束激光熔覆無裂紋涂層的方法。預熱、 熱處理激光是逐次施加在修復零件上，因此對于熔覆軌跡的形狀沒有要求，可以較好的應 用在復雜零件再制造領域。
【附圖說明】
[0018] 附圖1是復雜零件分段激光熔覆再制造方法示例圖。
[0019] 圖中：1工件裂紋的前半段;2工件裂紋的后半段;3激光頭；
[0020] 4被修復工件。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，本分段激光熔覆再制造方法 具體過程如下：
[0022]步驟一:在單道單層激光熔覆的基礎上，結(jié)合激光熔覆軌跡形狀和工件復雜程度 通過實驗試錯和經(jīng)驗確定激光熔覆參數(shù)，包括激光熔覆功率、送粉量和掃描速度。
[0023]激光熔覆基體材料和熔覆材料分別是AISI321和AISI316L奧氏體不銹鋼， AISI316L奧氏體不銹鋼具有以下特點：在凝固過程中不涉及馬氏體的轉(zhuǎn)變，因此殘余應力 的產(chǎn)生原因中可以排除馬氏體轉(zhuǎn)變，此外AISI316L奧氏體不銹鋼焊接性能好，熔覆不易產(chǎn) 生裂紋。激光熔覆參數(shù)通過實驗試錯和經(jīng)驗借鑒來確定，本發(fā)明采用的激光器為Nd:YAG激 光器，光斑尺寸為5mm。本領域相關(guān)學者做了大量的激光恪覆實驗，發(fā)現(xiàn)在光斑尺寸5mm的條 件下，Nd:YAG激光器用作普通激光熔覆激光功率一般可取為1000W左右，熔覆速度5mm/s左 右，送粉量可以為6g/min左右，結(jié)合實驗發(fā)現(xiàn)激光熔覆功率為846W時熔覆層顯微組織晶粒 細，硬度較高，最終確定激光熔覆功率為846W，熔覆速度V = 300mm/min，送粉量根據(jù)送粉機 選擇為7.2g/min。修復軌跡形狀為一小段圓弧，其半徑為40mm，修復軌跡總長度為31.42mm， 如附圖。
[0024]步驟二:根據(jù)步驟一所確定的激光熔覆參數(shù)，根據(jù)熔覆層顯微組織隨預熱和熱處 理激光功率的變化曲線選擇顯微硬度高，晶粒小的預熱和熱處理激光功率；
[0025]再根據(jù)工件殘余應力隨預熱提前/熱處理滯后時間變化曲線，選擇殘余應力小的 激光預熱提前時間和熱處理滯后時間，預熱提前時間和熱處理滯后時間可以選擇相同，且 激光預熱的掃描速度和熱處理的掃描速度相同。
[0026]根據(jù)激光熔覆參數(shù)考慮預熱和熱處理激光功率，提前/滯后時間。激光預熱和熱處 理可以減小熔覆層的拉應力，但是拉應力和預熱提前時間和熱處理后置時間的變化而變 化，應考慮零件殘余應力和隨提前/滯后時間變化曲線。零件殘余拉應力隨預熱提前時間的 增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，通過實驗分析，對于本實驗中的熔覆材料拉應力極值出現(xiàn) 在提前時間為2.5秒左右區(qū)域。零件殘余拉應力隨熱處理滯后時間的增加呈先減小后增大 的趨勢，通過實驗分析，對于本實驗中的熔覆材料拉應力極值出現(xiàn)在滯后時間為3秒左右區(qū) 域。綜合考慮選擇合理的激光預熱提前時間和熱處理滯后時間范圍大約為2.5-4秒，且激 光預熱提前時間和熱處理滯后時間相同，綜合考慮選擇合理的激光預熱提前時間和熱處理 滯后時間選擇T = 3s。預熱和后處理激光功率選擇應適當合理，大功率會導致材料的熔化或 重熔影響材料性能，小功率不能起到預熱和熱處理的作用，綜合考慮功率大約為300W。。 [0027]步驟三:根據(jù)步驟二所確定的預熱提前時間和熱處理滯后時間確定每次激光熔覆 路徑長度并對工件進行分段激光熔覆，其中分段長度S計算方法如下：
[0028]
[0029] 其中：T為提前滯后時間，V是激光熔覆速度，VC是激光頭回程速度；
[0030] 激光頭回零后停留時間Ts的計算方法為：
[0031]
[0032]通過步驟二的預熱和熱處理激光功率確定本過程中的各種參數(shù)。其中這一階段主 要經(jīng)歷的過程包括首先調(diào)整激光功率為預熱功率，進行預熱;其次激光頭位置回零，調(diào)整激 光功率為熔覆功率，停滯Ts后進行激光熔覆;最后激光頭位置回零，調(diào)整激光功率為熱處理 功率，停滯Ts后進行熱處理。確定，V=300mm/min，Vc = 3000mm/min。根據(jù)式
[0033]
[0034] 計算可得S < 13.64mm。修復路徑總長度為31.42mm，選擇每一分段S相等且S = 31.42/3 = 10.47mm，根據(jù)式
[0035]
[0036] 計算可得Ts = 0.63s。與普通再制造激光熔覆得到的熔覆層相比，此方法所得熔覆 層拉應力減小，并且可以加工復雜曲線路徑。
[0037] 上述實施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人 士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本發(fā)明的保護范圍。凡根據(jù)本發(fā)明 精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種帶有預熱和熱處理的復雜零件分段激光熔覆再制造方法，其特征在于，步驟如 下： 步驟一:在單道單層激光熔覆的基礎上，結(jié)合激光熔覆軌跡形狀和工件復雜程度確定 激光熔覆參數(shù)，包括激光熔覆功率、送粉量和掃描速度； 步驟二:根據(jù)步驟一所確定的激光熔覆參數(shù)，確定熔覆層顯微組織隨預熱激光功率的 變化曲線和熔覆層顯微組織隨熱處理激光功率的變化曲線;根據(jù)熔覆層顯微組織隨預熱激 光功率和熱處理激光功率的變化曲線選擇顯微硬度高且晶粒小的預熱激光功率和熱處理 激光功率； 再根據(jù)工件殘余應力隨預熱提前時間變化曲線和工件殘余應力隨熱處理滯后時間變 化曲線，選擇殘余應力小的激光預熱提前時間和熱處理滯后時間，預熱提前時間和熱處理 滯后時間選擇相同，且激光預熱的掃描速度和熱處理的掃描速度相同； 步驟三:根據(jù)步驟二所確定的預熱提前時間和熱處理滯后時間確定每次激光熔覆路徑 長度并對工件進行分段激光熔覆，其由曾方法如下： 'r c 其中:T為提前滯后時間，V是激光熔覆速度，VC是激光頭回程速度； 激光頭回零后停留時間Ts的計算方法為：
【專利摘要】本發(fā)明屬于激光熔覆再制造領域，提供了一種帶有預熱和熱處理的復雜零件分段激光熔覆再制造方法。在單道單層激光熔覆實驗基礎上，結(jié)合激光熔覆軌跡形狀和工件復雜程度確定激光熔覆參數(shù)。根據(jù)激光熔覆參數(shù)選擇預熱處理和后處理的激光功率，根據(jù)零件表面應力和表面硬度要求確定激光預熱的提前時間和熱處理滯后時間，根據(jù)提前、滯后時間確定每次激光熔覆路徑長度，逐次對每一分段進行預熱、激光熔覆和熱處理。該方法相對于普通激光熔覆能夠有效地減少激光熔覆裂紋的產(chǎn)生，相比于三光束預熱和熱處理激光熔覆，該方法能夠加工曲線路徑，適應性好。
【IPC分類】C23C24/10
【公開號】CN105624669
【申請?zhí)枴緾N201610144326
【發(fā)明人】徐海巖, 李濤, 王鑫林, 李海波, 張世新, 張洪潮
【申請人】大連理工大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年3月11日