一種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法。選用抗氧化性好的自熔性合金粉末，在空氣中無惰性氣體保護的野外環(huán)境中，采用氮氣發(fā)生器從空氣中分離氮氣作為載粉氣，對磨損類和斷裂類等失效零件進行激光成形快速應(yīng)急修復(fù)；通過三維掃描裝置掃描失效零件，與數(shù)據(jù)庫理論模型匹對運算得到失效零件的缺損模型，采用優(yōu)化的激光成形修復(fù)工藝參數(shù)，按缺損模型逐層進行修復(fù)；對修復(fù)后零件機加工處理，恢復(fù)零件幾何尺寸。本發(fā)明采用激光成形技術(shù)，解決了遠海航行、搶險救災(zāi)、設(shè)備檢修等野外惡劣的環(huán)境下、零件失效的偶然性，同時離補給地遠，無法及時快速應(yīng)急修復(fù)問題。
【專利說明】
一種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及激光成形修復(fù)技術(shù)，特別涉及一種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù) 失效零件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在遠海航行、搶險救災(zāi)等野外惡劣的環(huán)境下，裝備零件在長時間服役易發(fā)生磨損 失效、疲勞斷裂，過載斷裂等失效形式，若無備用零件，或者離補給地較遠，將影響設(shè)備的正 常運行，如果能夠及時快速地修復(fù)這些零件，使設(shè)備投入正常使用，可以節(jié)約資源、降低經(jīng) 濟損失，具有巨大的工程應(yīng)用價值和戰(zhàn)略意義。
[0003]增材制造顛覆了傳統(tǒng)的制造技術(shù)，是一種融合材料、信息、制造等多學(xué)科交叉的先 進制造技術(shù)，目前成為國內(nèi)外的研究熱點。激光成形技術(shù)結(jié)合快速原型和激光熔覆技術(shù)，在 不借用刀具和模具的情況下，成形出高性能、全致密、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬零件，廣泛應(yīng)用 于航空航天、生物醫(yī)療、零件維修等領(lǐng)域。和傳統(tǒng)的電鍍法、熱噴涂法和堆焊法修復(fù)技術(shù)相 比，激光成形具有快速加熱，快速冷卻的特點，具有熱量輸入小，熱影響區(qū)小，不易損傷基 體，熔覆層與基體之間達到冶金結(jié)合，結(jié)合強度高等優(yōu)點，獲得越來越廣泛的應(yīng)用，為失效 零件的修復(fù)開辟了新途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng) 急修復(fù)失效零件的方法，針對遠海航行、搶險救災(zāi)、設(shè)備檢修等野外環(huán)境下裝備零件長時間 服役后易出現(xiàn)磨損失效、疲勞斷裂，過載折斷等失效形式，若無備用零件將影響設(shè)備的正常 運行。本發(fā)明修復(fù)后的零件恢復(fù)到原零件的幾何尺寸要求，強度和塑性達到母材的80%以 上。
[0005] 為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0006] -種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，包括下述步驟：
[0007] (1)將待修復(fù)零件表面進行打磨處理，除去表面的氧化物和油污；
[0008] (2)失效零件便于安裝、拆卸，將待修復(fù)零件固定在在激光成形工作臺上，采用三 維掃描裝置采集缺損部位模型，與理論模型進行匹對，得到要修復(fù)的缺損模型；
[0009] 當(dāng)失效零件不便于拆卸，對失效零件進行在線修復(fù)，采用三維掃描裝置采集缺損 部位模型，與理論模型進行匹對，得到要修復(fù)的缺損模型；
[0010] (3)采用500W的光纖激光器、氮氣發(fā)生器從空氣中分離氮氣作為激光成形和修復(fù) 的送粉氣源。根據(jù)零件失效類型，選擇相應(yīng)的合金粉末作為修復(fù)材料，磨損類零件修復(fù)材料 選擇抗氧化性好、硬度高、耐磨性好的Fe901粉末;疲勞或過載斷裂類零件選用硬度適中、強 塑性好的Fe314合金粉末。
[0011] (4)對缺損模型進行分層處理，選擇優(yōu)化的工藝參數(shù)，從缺損模型的最低點開始， 逐層進行激光成形修復(fù)，修復(fù)結(jié)束后對修復(fù)部位進行表面處理，恢復(fù)零件的幾何尺寸；
[0012] (5)對所修復(fù)的零件進行機加工成國家標準拉伸試樣，測試修復(fù)后零件的力學(xué)性 能，包括強度和塑性；
[0013] (6)對所修復(fù)的零件進行線切割、鑲嵌、研磨、拋光、腐蝕制樣，在數(shù)字光學(xué)顯微鏡 下觀察熔覆層與母材的結(jié)合狀況，熔覆層與母材之間呈冶金結(jié)合，結(jié)合面處無夾渣、氣孔和 裂紋，強度和塑性達到母材的80%以上，則零件修復(fù)合格。
[0014] 上述方案中掃描得到的缺損模型精度為±0.05mm，修復(fù)工藝參數(shù)為激光功率150 ~250W，掃描速度10~20mm/s，送粉量為4.0~8. Og/min，搭接間距為0.20~0.40mm，按缺損 模型逐層進行修復(fù)。
[0015] 用砂輪將待修復(fù)零件表面進行打磨拋光處理，除去表面的氧化物和油污。
[0016] 采用便攜式的三維掃描裝置，掃描待修復(fù)的零件，通過與數(shù)據(jù)庫中的理論模型匹 對運算，得到要修復(fù)的缺損模型，掃描精度為± 0. 〇5_。
[0017] 野外環(huán)境下難以在惰性氣體保護的氣氛下進行激光成形修復(fù)，采用抗氧化性良好 的合金粉末作為修復(fù)材料，在空氣無保護環(huán)境中，采用氮氣代替氬氣，通過氮氣發(fā)生器從空 氣中分離氮氣作為載粉氣源，且其純度可調(diào)，氮氣體積分數(shù)為98.0~99.9%。
[0018] 所述的修復(fù)材料是指磨損類零件修復(fù)材料選擇抗氧化性好、硬度高、耐磨性好的 Fe901粉末，疲勞或過載斷裂類零件選用硬度適中、強塑性好的Fe314合金粉末。
[0019] 所述的修復(fù)工藝參數(shù)為激光功率150~250W，掃描速度10~20mm/s，送粉量為4.0 ~8. Og/min，搭接間距為0.20~0.40mm，按缺損模型逐層進行修復(fù)。
[0020] 所述的電子萬能材料試驗機型號為Istron5985、顯微硬度計的型號為HXD-2000TMSC/LCD、數(shù)字光學(xué)顯微鏡型號為KEYENCE VH-8000。
[0021 ]本發(fā)明針對遠海航行、搶險救災(zāi)、設(shè)備檢修等野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù) 失效零件。野外環(huán)境不同于傳統(tǒng)的實驗室，無法在惰性氣體保護的環(huán)境下進行激光成形修 復(fù)，所以采用抗氧化性好、含有Si、B脫氧造渣元素的自熔性合金粉末Fe901和Fe314作為修 復(fù)材料。采用制氮純度為98.0~99.5 %的氮氣發(fā)生器從空氣中分離氮氣作為激光成形所需 的載粉氣源，不僅氣體純度滿足修復(fù)后的性能要求，且避免了攜帶諸多氣瓶，減輕設(shè)備重 量，經(jīng)濟方便。
【附圖說明】
[0022]圖1為激光維修成形系統(tǒng)示意圖。
[0023]圖中：1、透鏡;2、數(shù)控平臺；3、熔池;4、載氣粉末;5、激光束;6、同軸送粉噴嘴。
[0024]圖2為激光成形Fe314修復(fù)零件熔覆層與基體金相形貌照片。
[0025]圖2(a)為Fe314修復(fù)結(jié)合面宏觀形貌圖；
[0026]圖2(b)為Fe314修復(fù)結(jié)合面微觀形貌圖。
【具體實施方式】
[0027] 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的詳細描述。
[0028] 參照圖1所示，本發(fā)明所述便攜式激光維修成形系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、三維掃描系 統(tǒng)、激光成形系統(tǒng)和機加工系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲各類零部件的理論模型;三維掃描系統(tǒng)用 于掃描待修復(fù)的失效零件，與數(shù)據(jù)庫理論模型進行匹對運算，得到要修復(fù)的缺損模型;激光 成形系統(tǒng)包括激光器、同軸送粉系統(tǒng)、工控機和氮氣發(fā)生器等裝置，其中激光器產(chǎn)生激光提 供能量源、同軸送粉系統(tǒng)輸送合金粉末、工控機控制設(shè)備的相對運動、氮氣發(fā)生器提供成形 修復(fù)氣源。其特征在于:選用自熔性合金粉末Fe901和Fe314,在空氣中無惰性氣體保護的野 外環(huán)境條件下，采用氮氣發(fā)生器從空氣中分離氮氣作為載粉氣，對磨損類和斷裂類等失效 零件進行激光成形快速應(yīng)急修復(fù)。
[0029] 附例-野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)過載斷裂某設(shè)備齒輪。
[0030] 1、激光成形修復(fù)40Cr合金鋼齒輪，選用自熔性合金粉末Fe314,粉末粒度為45~ 100μπι，含有Si、B非金屬元素，抗氧化性好，硬度適中、強塑性好，適用于野外環(huán)境下成形修 復(fù)。
[0031] 2、將Fe314粉末置于真空干燥箱中加熱到200°C，保溫4h，以去除水分并可增強粉 末流動性;待修復(fù)齒輪表面用砂輪打磨后，用乙醇清洗，去除表面氧化層和油污。
[0032] 3、調(diào)整氮氣發(fā)生器的制氮純度為99.0%、流量為8L/min，為成形修復(fù)提供載粉氣 源;通過三維掃描裝置掃描待修復(fù)齒輪，與數(shù)據(jù)庫理論模型匹對運算，得到缺損部位的幾何 模型，導(dǎo)入激光成形工控機中。
[0033] 4、成形修復(fù)過程采用填充掃描方式，即先掃外部輪廓然后填充內(nèi)部，主要工藝參 數(shù)為激光功率180~200W，掃描速度10~15mm/s，送粉量為4.5g/min，搭接間距為0.25mm，按 缺損模型逐層進行修復(fù)。
[0034] 5、對修復(fù)齒輪進行線切割、鑲嵌、粗磨、細磨、拋光、腐蝕，最后在型號為KEYENCE VH-8000數(shù)字光學(xué)顯微鏡下觀察熔覆層與母體的結(jié)合狀況;對所修復(fù)的零件進行機加工成 國家標準拉伸試樣，測試修復(fù)后零件的力學(xué)性能。
[0035]修復(fù)結(jié)果表明：野外環(huán)境下激光成形修復(fù)齒輪類零件，恢復(fù)了齒輪齒形的幾何尺 寸;熔覆層與母體呈冶金結(jié)合，結(jié)合面處無夾渣、氣孔、裂紋等缺陷，見圖2(a)和(b);激光成 形修復(fù)后零件的強度超過母體，達到母體的106%，塑性和母體相近，達到母體的89%，見 表_1〇
[0036] 表-1激光成形修復(fù)齒輪零件常溫拉伸性能
[0037]
【主權(quán)項】
1. 一種野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，包括便攜式激光維修成形 系統(tǒng)，便攜式激光維修成形系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、三維掃描系統(tǒng)、激光成形系統(tǒng)和機加工系 統(tǒng)，其特征在于:選用自熔性合金粉末Fe901和Fe314，在空氣中無惰性氣體保護的野外環(huán)境 條件下，采用氮氣發(fā)生器從空氣中分離氮氣作為載粉氣，對磨損類和斷裂類等失效零件進 行激光成形快速應(yīng)急修復(fù)，包括下述步驟： (1) 將待修復(fù)零件表面進行打磨拋光處理，除去表面的氧化物和油污； (2) 失效零件便于拆卸，將待修復(fù)零件固定在激光成形工作臺上，采用三維掃描裝置采 集缺損部位模型，與數(shù)據(jù)庫中理論模型進行匹對，得到要修復(fù)的缺損模型； 當(dāng)失效零件不便于拆卸，對失效零件進行在線修復(fù)，采用三維掃描裝置采集缺損部位 模型，與數(shù)據(jù)庫中理論模型進行匹對，得到要修復(fù)的缺損模型； (3) 采用500W的光纖激光器、氮氣發(fā)生器從空氣中分離氮氣作為激光成形和修復(fù)的載 粉氣源、根據(jù)零件失效類型，選擇合金粉末作為修復(fù)材料； (4) 對缺損模型進行分層處理，選擇修復(fù)工藝參數(shù)，從缺損模型的最低點逐層進行激光 成形修復(fù)，對修復(fù)部位進行表面處理，恢復(fù)失效零件的幾何尺寸； (5) 對修復(fù)的零件進行機加工成國家標準拉伸試樣，測試修復(fù)后零件的力學(xué)性能，包括 強度和塑性； (6) 對所修復(fù)零件進行線切割、鑲嵌、研磨、拋光、腐蝕制樣，在數(shù)字光學(xué)顯微鏡下觀察 熔覆層與母材的結(jié)合狀況;熔覆層與母材之間呈冶金結(jié)合，結(jié)合面處無夾渣、氣孔和裂紋， 強度和塑性達到母材的80%以上，則零件修復(fù)合格。2. 如權(quán)利要求1所述的野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，其特征在 于，用砂輪將待修復(fù)零件表面進行打磨拋光處理，除去表面的氧化物和油污。3. 如權(quán)利要求1所述的野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，其特征在 于，采用便攜式的三維掃描裝置，掃描待修復(fù)的零件，通過與數(shù)據(jù)庫中的理論模型匹對運 算，得到要修復(fù)的缺損模型，掃描精度為± 〇. 〇5mm。4. 如權(quán)利要求1所述的野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，其特征在 于，野外環(huán)境下難以在惰性氣體保護的氣氛下進行激光成形修復(fù)，采用抗氧化性良好的合 金粉末作為修復(fù)材料，在空氣無保護環(huán)境中，采用氮氣代替氬氣，通過氮氣發(fā)生器從空氣中 分離氮氣作為載粉氣源，且其純度可調(diào)，氮氣體積分數(shù)為98.0~99.9%。5. 如權(quán)利要求1所述的野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，其特征在 于，所述的修復(fù)材料是指磨損類零件修復(fù)材料選擇抗氧化性好、硬度高、耐磨性好的Fe901 粉末，疲勞或過載斷裂類零件選用硬度適中、強塑性好的Fe314合金粉末。6. 如權(quán)利要求1所述的野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，其特征在 于，所述的修復(fù)工藝參數(shù)為激光功率150~250W，掃描速度10~20mm/s，送粉量為4.0~ 8. Og/min，搭接間距為0.20~0.40mm，按缺損模型逐層進行修復(fù)。7. 如權(quán)利要求1所述的野外環(huán)境下激光成形快速應(yīng)急修復(fù)失效零件的方法，其特征在 于，所述的電子萬能材料試驗機型號為Istron5985、顯微硬度計的型號為HXD-2000TMSC/ LCD、數(shù)字光學(xué)顯微鏡型號為KEYENCE VH-8000。
【文檔編號】B23P6/04GK105887079SQ201610236568
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】張安峰, 李滌塵, 張文龍, 王潭, 李帥, 張連重
【申請人】西安交通大學(xué)