受損鈦合金鍛件連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)方法
【專利摘要】一種受損鈦合金鍛件連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)方法，其主要是將受損鈦合金鍛件置入惰性氣氛保護(hù)箱，控制氧體積分?jǐn)?shù)含量小于5×10-5；采用高精度雙路同軸送粉系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金激光沉積修復(fù)，激光功率：1800-5000W；掃描速度：3-10mm/s；光斑直徑：3-6mm；搭接率：30-50％；送粉速率：5-15g/min；對(duì)上述經(jīng)過激光修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行鍛壓，壓下量為4-12噸。在計(jì)算機(jī)控制下，沿激光沉積修復(fù)鈦合金材料上表面，逐點(diǎn)連續(xù)實(shí)施小面積鍛壓，重復(fù)進(jìn)行上述步驟，直至達(dá)到修復(fù)鍛件合格的標(biāo)準(zhǔn)尺寸；對(duì)上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行再結(jié)晶熱處理，溫度為850-960℃，保溫時(shí)間為1h-3h，空冷至室溫。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成形修復(fù)鈦合金局部結(jié)構(gòu)內(nèi)部再結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的主動(dòng)控制。
【專利說明】受損鈦合金鍛件連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬鍛件的修復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]激光成形修復(fù)是一種先進(jìn)的金屬零件修復(fù)與再制造技術(shù)，該技術(shù)利用快速原型制造(Rapid Prototype Manufacturing, RPM)技術(shù)的基本原理,計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)在受損金屬零件局部結(jié)構(gòu)CAD數(shù)字模型分層切片數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，通過逐層添加激光熔化/快速凝固金屬材料，快速恢復(fù)金屬零件局部損傷結(jié)構(gòu)的幾何特性及零件的服役性能，與一些傳統(tǒng)的修復(fù)和再制造技術(shù)(熱噴涂、電刷鍍、釬焊、TIG焊、MIG焊)相比，該技術(shù)存在以下突出優(yōu)點(diǎn):(I)激光束能量集中，熱影響區(qū)極小，激光成形修復(fù)過程對(duì)金屬零件基材幾乎無熱損傷；(2)柔性高，在無需任何模具和工裝條件下快速實(shí)現(xiàn)金屬零件任意形狀局部損傷結(jié)構(gòu)的近終成形；(3)材料適用范圍寬，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)包括W、Mo、Nb、Ta等難熔金屬及合金、高熔點(diǎn)金屬間化合物合金以及Ti基等各種高活性合金等在內(nèi)的各類高性能金屬材料零件的修復(fù)與再制造。正是由于其上述獨(dú)特特點(diǎn)，使之在航空、航天等國防裝備中高附加值重點(diǎn)零部件修復(fù)與再制造上具有極為廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]1995-1997年，美國約翰哈普金斯大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)、MTS公司及波音公司在美國國防部國防先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)和國防部海軍研究辦公室(ONR)聯(lián)合資助下，研發(fā)出名為Lasform?的飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形與修復(fù)技術(shù)，1998年MTS公司獨(dú)資建立了 AeroMet子公司，專門從事Lasform?技術(shù)的工程化應(yīng)用。Lasform?的技術(shù)原理是:以鈦合金熱軋件或鍛件為基板，計(jì)算機(jī)控制激光熔化鈦合金粉末/快速凝固逐層堆積，在鈦合金基板上以添加的方式“生長成形”出加強(qiáng)筋、連接接頭等結(jié)構(gòu)，因此，Lasform?技術(shù)實(shí)質(zhì)上制造的是一種內(nèi)部具有混合組織的鈦合金結(jié)構(gòu)件。在激光熔化沉積成形過程中，激光移動(dòng)熔池超常冶金動(dòng)力學(xué)行為及其在超高溫度梯度作用下非平衡快速凝固形核和長大過程，決定了激光熔化沉積成形“添加”的加強(qiáng)筋及連接接頭，其內(nèi)部晶粒形態(tài)、尺寸、晶體取向、晶界結(jié)構(gòu)等與鈦合金基板組織間存在極為顯著的差異，并直接導(dǎo)致兩者間力學(xué)性能不一致，即使再經(jīng)熱等靜壓(HIP)、開模鍛造(Open Die Forging)加工，AeroMet公司制造的Ti6A14V鈦合金結(jié)構(gòu)件，其疲勞力學(xué)性能仍然顯著低于鈦合金鍛件，難以實(shí)現(xiàn)其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，AeroMet公司最終于2005年12月被迫停業(yè)關(guān)閉。
[0004]西北工業(yè)大學(xué)采用激光立體成形技術(shù)對(duì)Ti6A14V和Ti 17兩種鈦合金鍛件進(jìn)行激光成形修復(fù)，由于激光修復(fù)鈦合金材料非平衡快速凝固組織與鈦合金鍛件基體鍛造退火組織間的差異，以及兩者間力學(xué)性能不一致，激光成形修復(fù)Ti6A14V、Τ?17鍛件，其疲勞性能遠(yuǎn)低于鈦合金鍛件；北京有色金屬研究總院研究了激光修復(fù)TCll鈦合金鍛件內(nèi)部組織及其力學(xué)性能，結(jié)果表明，激光修復(fù)TCll鈦合金材料組織與鍛件基體組織顯著不同，且塑性明顯低于鈦合金鍛件，修復(fù)的TCll鈦合金鍛件的整體力學(xué)性能達(dá)不到航空服役力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]為了解決激光成形修復(fù)鈦合金鍛件，其力學(xué)性能遠(yuǎn)低于鈦合金鍛件等問題，本發(fā)明提供一種受損鈦合金鍛件連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007](I)將受損大型復(fù)雜航空鈦合金鍛件置入惰性氣氛保護(hù)箱，裝卡后，封箱，為防止鈦合金在激光快速成形過程中氧化，使用氬氣保護(hù)，控制氧體積分?jǐn)?shù)含量小于5X10-5 ;然后采用高精度雙路同軸送粉系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金激光沉積修復(fù)，按照沉積軌跡直到第一層熔覆完成；激光工藝參數(shù)為激光功率:1800-5000W ;掃描速度:3-10mm/s ;光斑直徑:3-6mm ;搭接率:30-50% ;送粉速率:5-15g/min ；
[0008](2)對(duì)上述經(jīng)過激光修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行鍛壓，選用弧面點(diǎn)式壓頭，設(shè)置壓力機(jī)壓頭的壓下量為4-12噸；，在計(jì)算機(jī)控制下，沿激光沉積修復(fù)鈦合金材料上表面，逐點(diǎn)連續(xù)實(shí)施小面積鍛壓，將第一層熔覆材料全部鍛壓完成，迫使激光沉積修復(fù)鈦合金材料發(fā)生由表及里劇烈塑性冷變形，使激光沉積修復(fù)鈦合金材料非平衡快速凝固組織轉(zhuǎn)變?yōu)殄懺旖M織；由于點(diǎn)式鍛壓具有變形區(qū)小、無變形死區(qū)、變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)為三向壓應(yīng)力的特點(diǎn)，因此，一方面，連續(xù)點(diǎn)式鍛壓易于實(shí)現(xiàn)激光修復(fù)鈦合金層的逐點(diǎn)均勻塑性變形，有效保證激光沉積修復(fù)鈦合金鍛造組織的均勻性；另一方面，經(jīng)過連續(xù)點(diǎn)式鍛壓后，前一激光沉積修復(fù)鈦合金材料中的殘余拉應(yīng)力將轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。
[0009]重復(fù)進(jìn)行上述(I)、(2)步驟，直至達(dá)到修復(fù)鍛件合格的標(biāo)準(zhǔn)尺寸。
[0010](3)將上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件放入熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶熱處理，溫度為850-960°C，最優(yōu)溫度為920-940°C ;保溫時(shí)間為l_3h，最優(yōu)保溫時(shí)間為Ih ;空冷至室溫。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0012]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成形修復(fù)鈦合金鍛件局部結(jié)構(gòu)內(nèi)部再結(jié)晶組織結(jié)構(gòu)、再結(jié)晶晶粒尺寸的主動(dòng)控制，避免了在新的激光沉積修復(fù)過程中，由于瞬態(tài)熱應(yīng)力與前一激光沉積修復(fù)鈦合金材料中的殘余拉應(yīng)力交互作用而引起應(yīng)力強(qiáng)度增大，同時(shí)避免了由于應(yīng)力強(qiáng)度超過鈦合金材料屈服強(qiáng)度而引起鈦合金鍛件產(chǎn)生塑性變形；并有效地防止了由于熱應(yīng)力強(qiáng)度循環(huán)累積所引起的鈦合金鍛件變形累積效應(yīng)。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0014]實(shí)施例1
[0015]如圖1所示，將受損大型復(fù)雜航空鈦合金鍛件I置入惰性氣氛保護(hù)箱6，裝卡后，安裝上蓋5封箱，將箱內(nèi)氣氛中的氧含量降至50PPm后，通過激光頭2，采用高精度雙路同軸送粉系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金激光沉積修復(fù)，按照沉積軌跡直到第一層熔覆完成。激光工藝參數(shù)為激光功率:1800W ;掃描速度:3mm/s ;光斑直徑:3mm ;搭接率:30% ;送粉速率:5g/min，在鈦合金鍛件表面形成鈦合金激光沉積修復(fù)層7 ;對(duì)上述經(jīng)過激光修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行鍛壓，與壓桿3連接的壓力機(jī)壓頭4為弧面點(diǎn)式壓頭，設(shè)置壓頭的壓下量為4噸，在計(jì)算機(jī)控制下，沿激光沉積修復(fù)鈦合金鍛件上表面，逐點(diǎn)連續(xù)實(shí)施小面積鍛壓，將第一層熔覆材料全部鍛壓完成。重復(fù)上述熔覆和鍛壓步驟直至達(dá)到原鍛件尺寸，將上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件放入熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶熱處理，溫度為850°C，保溫時(shí)間為2h，空冷至室溫。
[0016]實(shí)施例2
[0017]將受損大型復(fù)雜航空鈦合金鍛件置入惰性氣氛保護(hù)箱，裝卡后，改善上蓋封箱，將箱內(nèi)氣氛中的氧含量降至50PPm后，通過激光頭，采用高精度雙路同軸送粉系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金激光沉積修復(fù)，按照沉積軌跡直到第一層熔覆完成。調(diào)整激光工藝參數(shù)為激光功率:5500W ;掃描速度:7mm/s ;光斑直徑:4mm ;搭接率:40% ;送粉速率:10g/min ;在鈦合金鍛件表面形成鈦合金激光沉積修復(fù)層；對(duì)上述經(jīng)過激光修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行鍛壓，與壓桿連接的壓力機(jī)壓頭為弧面點(diǎn)式壓頭，設(shè)置壓頭的壓下量為8噸，在計(jì)算機(jī)控制下，沿激光沉積修復(fù)鈦合金鍛件上表面，逐點(diǎn)連續(xù)實(shí)施小面積鍛壓，將第一層熔覆材料全部鍛壓完成。重復(fù)上述熔覆和鍛壓步驟直至達(dá)到原鍛件尺寸，將上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件放入熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶熱處理，溫度為920°C，保溫時(shí)間為lh，空冷至室溫。
[0018]實(shí)施例3
[0019]將受損大型復(fù)雜航空鈦合金鍛件置入惰性氣氛保護(hù)箱，裝卡后，改善上蓋封箱，將箱內(nèi)氣氛中的氧含量降至50PPm后，通過激光頭，采用高精度雙路同軸送粉系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金激光沉積修復(fù)，按照沉積軌跡直到第一層熔覆完成。調(diào)整激光工藝參數(shù)為激光功率:1000ff ;掃描速度:10mm/s ;光斑直徑:6mm ;搭接率:50% ;送粉速率:15g/min ;在鈦合金鍛件表面形成鈦合金激光沉積修復(fù)層；對(duì)上述經(jīng)過激光修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行鍛壓，與壓桿連接的壓力機(jī)壓頭為弧面點(diǎn)式壓頭，設(shè)置壓頭的壓下量為12噸，在計(jì)算機(jī)控制下，沿激光沉積修復(fù)鈦合金鍛件上表面，逐點(diǎn)連續(xù)實(shí)施小面積鍛壓，將第一層熔覆材料全部鍛壓完成。重復(fù)上述熔覆和鍛壓步驟直至達(dá)到原鍛件尺寸，將上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件放入熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶熱處理，溫度為960°C，保溫時(shí)間為3h，空冷至室溫。
【權(quán)利要求】
1.一種受損鈦合金鍛件連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)方法，其特征在于: (1)將受損大型復(fù)雜航空鈦合金鍛件置入惰性氣氛保護(hù)箱，裝卡后，封箱，使用氬氣保護(hù)，控制氧體積分?jǐn)?shù)含量小于5X10-5 ;然后采用高精度雙路同軸送粉系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金激光沉積修復(fù)，按照沉積軌跡直到第一層熔覆完成，激光工藝參數(shù)為激光功率:1800-5000W ；掃描速度:3-10mm/s ;光斑直徑:3-6mm ;搭接率:30-50% ;送粉速率:5_15g/min ； (2)對(duì)上述經(jīng)過激光修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行鍛壓，選用弧面點(diǎn)式壓頭，設(shè)置壓力機(jī)壓頭的壓下量為4-12噸，在計(jì)算機(jī)控制下，沿激光沉積修復(fù)鈦合金材料上表面，逐點(diǎn)連續(xù)實(shí)施小面積鍛壓，將第一層熔覆材料全部鍛壓完成； 重復(fù)進(jìn)行上述(I)、(2)步驟，直至達(dá)到修復(fù)鍛件合格的標(biāo)準(zhǔn)尺寸； (3)對(duì)上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件在熱處理爐中進(jìn)行再結(jié)晶熱處理，溫度為850-9600C，保溫時(shí)間為l_3h，空冷至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的受損鈦合金鍛件連續(xù)點(diǎn)式鍛壓激光成形修復(fù)方法，其特征在于:對(duì)上述經(jīng)過修復(fù)的鈦合金鍛件進(jìn)行再結(jié)晶熱處理的最佳溫度為920-940°C;最佳保溫時(shí)間為Ih0
【文檔編號(hào)】C22F1/18GK104313600SQ201410512322
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】席明哲, 劉靜波, 趙毅, 高士友 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)