專利名稱：一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光修復(fù)鈦合金的方法，特別是一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法，屬于材料成形領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
:二十世紀(jì)70年代誕生了激光修復(fù)工藝的核心技術(shù)——激光熔覆技術(shù)，80年代得到了迅猛發(fā)展。由于這種工藝具有操作簡便，無污染以及能夠縮短生產(chǎn)周期，材料利用率高，特別適合修復(fù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難加工金屬零件等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用在基于鈦合金等難加工材料的航空、航天、船舶等領(lǐng)域。鈦合金加工生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量殘鈦，用鈦材制造零件，不僅再次產(chǎn)生大量殘鈦，而且加工、制造難度較大，耗費(fèi)工時(shí)和能量多。對于已損壞的壓縮機(jī)葉片、盤及靜態(tài)零件等航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件，若是重新制造的話，機(jī)加工切削量高達(dá)85%，換句話說，原料的利用率只有鍛件的15%，這樣使得鈦制部件的制造成本大大提高，阻礙了其更為廣泛的應(yīng)用。激光修復(fù)工藝應(yīng)用到鈦合金制件的再修復(fù)中，一方面，使得已損壞件能夠被快速修好，在滿足使用要求的前提下，投入生產(chǎn)；另一方面，避免因?yàn)閾p壞程度小而廢棄，造成浪費(fèi)；此外，利用此工藝還變向的延長了零件的使用壽命。但是，激光修復(fù)工藝修復(fù)的零件的修復(fù)區(qū)晶粒粗大，枝晶偏析嚴(yán)重，而且由于修復(fù)過程中內(nèi)部過熱造成后期變形嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了修復(fù)件的質(zhì)量和使用性能。發(fā)明內(nèi)容:針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種可解決鈦合金激光沉積修復(fù)件修復(fù)層的組織晶粒粗大，殘余應(yīng)力大的問題的超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法，其具體步驟如下:(I)將待修復(fù)件表面進(jìn)行打磨拋光處理，去掉氧化層直到露出光亮的金屬光澤為止;(2)在進(jìn)行激光修復(fù)的同時(shí)，采用超聲波發(fā)生裝置作用在激光修復(fù)的熔池內(nèi)，使熔池的振幅為7-12微米；(3)利用功率為2000W的超聲波推動(dòng)沖擊變幅桿以每秒二萬次以上的頻率沖擊激光修復(fù)區(qū)域的表面進(jìn)行去應(yīng)力處理，變幅桿的振幅在100微米以上。優(yōu)選的，所述的超聲波發(fā)生裝置為超聲波換能器，其頻率為17千赫-23千赫。工作原理:1、組織細(xì)化的機(jī)理:(I)空化現(xiàn)象:存在液體中的微氣核空化泡在超聲波的振動(dòng)作用下，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)便會(huì)生長和崩潰，產(chǎn)生的沖擊波可以破碎合金熔體中的枝狀晶粒，從而形核率增多，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。(2)聲流攪拌理論:高能超聲在熔體中傳播時(shí)，振幅衰減使液體從振源處開始形成一定的聲壓梯度，導(dǎo)致液體流動(dòng)，當(dāng)聲壓幅值超過一定數(shù)值時(shí)，在液體內(nèi)部會(huì)形成一個(gè)流體的噴射，從而形成聲流。在聲流的作用下，結(jié)晶長大的枝狀晶粒被打碎，抑制晶粒的長大，從而使得晶粒細(xì)化。 這兩種理論共同抑制了晶粒的長大，增大了形核率，打碎了枝狀晶粒，從而細(xì)化了晶粒。2、應(yīng)力釋放機(jī)理:超聲波去除應(yīng)力是利用變幅桿推動(dòng)沖擊針工具頭高速前沖。沖擊針沖擊工件后，能量向修復(fù)層傳遞，使修復(fù)區(qū)的表面層內(nèi)的殘余拉伸應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，以達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力的作用。沖擊頭受工件的反作用后回彈，碰到高頻振動(dòng)的變幅桿后，再次受到激發(fā)，又一次高速度撞向修復(fù)層，如此反復(fù)多次，完成沖擊作業(yè)。本發(fā)明超聲設(shè)備操作簡單，無污染，能夠順利應(yīng)用到激光沉積修復(fù)工藝中去，柔性化程度高。而且明顯改善了修復(fù)層組織，顯著提高修復(fù)件質(zhì)量，修復(fù)層中晶粒明顯細(xì)化，組織更加均勻；修復(fù)層與基材之間連接過渡自然，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合狀態(tài)；修復(fù)件的質(zhì)量穩(wěn)定，無殘余應(yīng)力，不變形開裂。
:圖1是實(shí)施例1的工作示意圖。圖2是超聲波振動(dòng)·去除應(yīng)力的工作示意圖。圖3是實(shí)施例2的工作示意圖。圖4是實(shí)施例3的工作示意圖。圖5是未施加超聲振動(dòng)的修復(fù)層內(nèi)部組織晶粒效果圖。圖6是施加超聲振動(dòng)的修復(fù)層內(nèi)部組織晶粒效果圖。
具體實(shí)施方式
:實(shí)施例1一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法，其具體步驟如下:1、將待修復(fù)工件表面進(jìn)行打磨拋光處理，去掉氧化層直到露出光亮的金屬光澤為止;2、將處理過的待修復(fù)工件件放置在工作臺上，定位并夾緊；3、如圖1所示:本實(shí)施方式中超聲是從待修復(fù)件的下方引入的。工件3的上端為激光熔敷修復(fù)裝置，所述的激光熔敷修復(fù)裝置包括激光器6，聚焦鏡1，送粉器7，同軸送粉噴嘴2和保護(hù)氣裝置8。激光器6和聚焦鏡I平行設(shè)置，同軸送粉噴嘴2設(shè)在聚焦鏡I的下端。送粉器7與同軸送粉噴嘴2連接。保護(hù)氣裝置8設(shè)置在同軸送粉噴嘴2的下端。激光熔敷修復(fù)裝置對工件3表面的受損部位進(jìn)行激光修復(fù)，與超聲波換能器9連接的變幅桿4作用在工件3的下面，使熔池的振幅為7-12微米。圖中5為工件和變幅桿上的振動(dòng)波形。所述超聲波換能器頻率為19.56千赫。4、如圖2所示:超聲波振動(dòng)去除應(yīng)力則利用功率為2000W的超聲波推動(dòng)沖擊變幅桿(振幅在100微米以上)以每秒二萬次以上的頻率沖擊修復(fù)件修復(fù)區(qū)域的表面，由于超聲波的高頻、高效和聚焦下的大能量，使修復(fù)區(qū)表層產(chǎn)生較大的壓塑性變形；同時(shí)超聲沖擊波改變了原有的應(yīng)力場，產(chǎn)生一定數(shù)值的壓應(yīng)力，使超聲沖擊部位得以強(qiáng)化，從而釋放應(yīng)力。實(shí)施例2如圖3所示:本實(shí)施例中超聲是從待修復(fù)件的斜上方引入的。1、將待修復(fù)件表面進(jìn)行打磨拋光處理，去掉氧化層直到露出光亮的金屬光澤為止;2、將處理過的待修復(fù)件放置在工作臺上，定位并夾緊；3、采用5KW C02橫流激光器，氬氣作為保護(hù)氣，在真空箱內(nèi)進(jìn)行激光修復(fù)，并且在修復(fù)過程中，將超聲波施加到熔池中，所述超聲波通過懸空在激光束一側(cè)的超聲波發(fā)生裝置產(chǎn)生，傾斜角度a為45度，超聲波通過陶瓷傳振桿直接傳至熔池。超聲波頻率20000Hz，功率2.2W,即完成超聲輔助激光修復(fù)。其中激光修復(fù)工藝參數(shù):激光功率選取1700W，送粉率0.7g/min,掃描速度6mm/s,分層厚度0.3mm。4、去除應(yīng)力過程同實(shí)施例1。
實(shí)施例3如圖4所示:本實(shí)施例與實(shí)施例2不同的是，步驟3中超聲波是通過空氣直接傳至熔池(超聲波發(fā)生器不接觸熔池)，其他工藝參數(shù)和步驟與實(shí)施例2相同。如圖5和圖6所示:經(jīng)超聲處理后使組織形核率增加，境界被打碎，晶粒細(xì)化，組織分布更均勻。
權(quán)利要求
1.一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法，其具體步驟如下: (1)將待修復(fù)件表面進(jìn)行打磨拋光處理，去掉氧化層直到露出光亮的金屬光澤為止； (2)在進(jìn)行激光修復(fù)的同時(shí)，采用超聲波發(fā)生裝置作用在激光修復(fù)的熔池內(nèi)，使熔池的振幅為7-12微米； (3)利用功率為2000W的超聲波推動(dòng)沖擊變幅桿以每秒二萬次以上的頻率沖擊激光修復(fù)區(qū)域的表面進(jìn)行去應(yīng)力處理，變幅桿的振幅在100微米以上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法，其特征在于:所述的超聲波發(fā)生裝置為超聲波換能 器，其頻率為17千赫-23千赫。
全文摘要
一種超聲輔助激光修復(fù)鈦合金的方法，其具體步驟如下(1)將待修復(fù)件表面進(jìn)行打磨拋光處理，去掉氧化層直到露出光亮的金屬光澤為止；(2)在進(jìn)行激光修復(fù)的同時(shí)，采用超聲波發(fā)生裝置作用在激光修復(fù)的熔池內(nèi)，使熔池的振幅為7-12微米；(3)利用功率為2000W的超聲波推動(dòng)沖擊變幅桿以每秒二萬次以上的頻率沖擊激光修復(fù)區(qū)域的表面進(jìn)行去應(yīng)力處理，變幅桿的振幅在100微米以上。本發(fā)明超聲設(shè)備操作簡單，無污染，能夠順利應(yīng)用到激光沉積修復(fù)工藝中去，柔性化程度高。而且明顯改善了修復(fù)層組織，顯著提高修復(fù)件質(zhì)量，修復(fù)層中晶粒明顯細(xì)化，組織更加均勻；修復(fù)層與基材之間連接過渡自然，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合狀態(tài)；修復(fù)件的質(zhì)量穩(wěn)定，無殘余應(yīng)力，不變形開裂。
文檔編號C23C24/10GK103114286SQ20131006196
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月27日
發(fā)明者楊光, 王維, 郭鵬飛, 欽蘭云 申請人:沈陽航空航天大學(xué)