CN104313600B - 受损钛合金锻件连续点式锻压激光成形修复方法 - Google Patents
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Abstract
一种受损钛合金锻件连续点式锻压激光成形修复方法，其主要是将受损钛合金锻件置入惰性气氛保护箱，控制氧体积分数含量小于5×10‑5；采用高精度双路同轴送粉系统进行钛合金激光沉积修复，激光功率：1800‑5000W；扫描速度：3‑10mm/s；光斑直径：3‑6mm；搭接率：30‑50％；送粉速率：5‑15g/min；对上述经过激光修复的钛合金锻件进行锻压，压下量为4‑12吨；在计算机控制下，沿激光沉积修复钛合金材料上表面，逐点连续实施小面积锻压，重复进行上述步骤，直至达到修复锻件合格的标准尺寸；对上述经过修复的钛合金锻件进行再结晶热处理，温度为850‑960℃，保温时间为1h‑3h，空冷至室温。本发明可以实现对成形修复钛合金局部结构内部再结晶组织结构和晶粒尺寸的主动控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属锻件的修复方法。
背景技术：
激光成形修复是一种先进的金属零件修复与再制造技术，该技术利用快速原型制造(Rapid Prototype Manufacturing,RPM)技术的基本原理，计算机数控系统在受损金属零件局部结构CAD数字模型分层切片数据驱动下，通过逐层添加激光熔化/快速凝固金属材料，快速恢复金属零件局部损伤结构的几何特性及零件的服役性能，与一些传统的修复和再制造技术(热喷涂、电刷镀、钎焊、TIG焊、MIG焊)相比，该技术存在以下突出优点：(1)激光束能量集中，热影响区极小，激光成形修复过程对金属零件基材几乎无热损伤；(2)柔性高，在无需任何模具和工装条件下快速实现金属零件任意形状局部损伤结构的近终成形；(3)材料适用范围宽，可以实现对包括W、Mo、Nb、Ta等难熔金属及合金、高熔点金属间化合物合金以及Ti基等各种高活性合金等在内的各类高性能金属材料零件的修复与再制造。正是由于其上述独特特点，使之在航空、航天等国防装备中高附加值重点零部件修复与再制造上具有极为广阔的应用前景。
1995-1997年，美国约翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学、MTS公司及波音公司在美国国防部国防先进研究计划署(DARPA)和国防部海军研究办公室(ONR)联合资助下，研发出名为LasformTM的飞机钛合金结构件激光快速成形与修复技术，1998年MTS公司独资建立了AeroMet子公司，专门从事LasformTM技术的工程化应用。LasformTM的技术原理是：以钛合金热轧件或锻件为基板，计算机控制激光熔化钛合金粉末/快速凝固逐层堆积，在钛合金基板上以添加的方式“生长成形”出加强筋、连接接头等结构，因此，LasformTM技术实质上制造的是一种内部具有混合组织的钛合金结构件。在激光熔化沉积成形过程中，激光移动熔池超常冶金动力学行为及其在超高温度梯度作用下非平衡快速凝固形核和长大过程，决定了激光熔化沉积成形“添加”的加强筋及连接接头，其内部晶粒形态、尺寸、晶体取向、晶界结构等与钛合金基板组织间存在极为显著的差异，并直接导致两者间力学性能不一致，即使再经热等静压(HIP)、开模锻造(Open Die Forging)加工，AeroMet公司制造的Ti6Al4V钛合金结构件，其疲劳力学性能仍然显著低于钛合金锻件，难以实现其在飞机结构件上的应用，AeroMet公司最终于2005年12月被迫停业关闭。
西北工业大学采用激光立体成形技术对Ti6Al4V和Ti17两种钛合金锻件进行激光成形修复，由于激光修复钛合金材料非平衡快速凝固组织与钛合金锻件基体锻造退火组织间的差异，以及两者间力学性能不一致，激光成形修复Ti6Al4V、Ti17锻件，其疲劳性能远低于钛合金锻件；北京有色金属研究总院研究了激光修复TC11钛合金锻件内部组织及其力学性能，结果表明，激光修复TC11钛合金材料组织与锻件基体组织显著不同，且塑性明显低于钛合金锻件，修复的TC11钛合金锻件的整体力学性能达不到航空服役力学性能标准。
发明内容：
为了解决激光成形修复钛合金锻件，其力学性能远低于钛合金锻件等问题，本发明提供一种受损钛合金锻件连续点式锻压激光成形修复方法。
本发明的技术方案如下：
(1)将受损大型复杂航空钛合金锻件置入惰性气氛保护箱，装卡后，封箱，为防止钛合金在激光快速成形过程中氧化，使用氩气保护，控制氧体积分数含量小于5×10-5；然后采用高精度双路同轴送粉系统进行钛合金激光沉积修复，按照沉积轨迹直到第一层熔覆完成；激光工艺参数为激光功率：1800-5000W；扫描速度：3-10mm/s；光斑直径：3-6mm；搭接率：30-50％；送粉速率：5-15g/min；
(2)对上述经过激光修复的钛合金锻件进行锻压，选用弧面点式压头，设置压力机压头的压下量为4-12吨；，在计算机控制下，沿激光沉积修复钛合金材料上表面，逐点连续实施小面积锻压，将第一层熔覆材料全部锻压完成，迫使激光沉积修复钛合金材料发生由表及里剧烈塑性冷变形，使激光沉积修复钛合金材料非平衡快速凝固组织转变为锻造组织；由于点式锻压具有变形区小、无变形死区、变形区内的应力状态为三向压应力的特点，因此，一方面，连续点式锻压易于实现激光修复钛合金层的逐点均匀塑性变形，有效保证激光沉积修复钛合金锻造组织的均匀性；另一方面，经过连续点式锻压后，前一激光沉积修复钛合金材料中的残余拉应力将转变为残余压应力。
重复进行上述(1)、(2)步骤，直至达到修复锻件合格的标准尺寸。
(3)将上述经过修复的钛合金锻件放入热处理炉中进行再结晶热处理，温度为850-960℃，最优温度为920-940℃；保温时间为1-3h，最优保温时间为1h；空冷至室温。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
可以实现对成形修复钛合金锻件局部结构内部再结晶组织结构、再结晶晶粒尺寸的主动控制，避免了在新的激光沉积修复过程中，由于瞬态热应力与前一激光沉积修复钛合金材料中的残余拉应力交互作用而引起应力强度增大，同时避免了由于应力强度超过钛合金材料屈服强度而引起钛合金锻件产生塑性变形；并有效地防止了由于热应力强度循环累积所引起的钛合金锻件变形累积效应。
附图说明
图1是本发明连续点式锻压激光成形修复过程示意图。
具体实施方式：
实施例1
如图1所示，将受损大型复杂航空钛合金锻件1置入惰性气氛保护箱6，装卡后，安装上盖5封箱，将箱内气氛中的氧含量降至50PPm后，通过激光头2，采用高精度双路同轴送粉系统进行钛合金激光沉积修复，按照沉积轨迹直到第一层熔覆完成。激光工艺参数为激光功率：1800W；扫描速度：3mm/s；光斑直径：3mm；搭接率：30％；送粉速率：5g/min，在钛合金锻件表面形成钛合金激光沉积修复层7；对上述经过激光修复的钛合金锻件进行锻压，与压杆3连接的压力机压头4为弧面点式压头，设置压头的压下量为4吨，在计算机控制下，沿激光沉积修复钛合金锻件上表面，逐点连续实施小面积锻压，将第一层熔覆材料全部锻压完成。重复上述熔覆和锻压步骤直至达到原锻件尺寸，将上述经过修复的钛合金锻件放入热处理炉中进行再结晶热处理，温度为850℃，保温时间为2h，空冷至室温。
实施例2
将受损大型复杂航空钛合金锻件置入惰性气氛保护箱，装卡后，改善上盖封箱，将箱内气氛中的氧含量降至50PPm后，通过激光头，采用高精度双路同轴送粉系统进行钛合金激光沉积修复，按照沉积轨迹直到第一层熔覆完成。调整激光工艺参数为激光功率：5500W；扫描速度：7mm/s；光斑直径：4mm；搭接率：40％；送粉速率：10g/min；在钛合金锻件表面形成钛合金激光沉积修复层；对上述经过激光修复的钛合金锻件进行锻压，与压杆连接的压力机压头为弧面点式压头，设置压头的压下量为8吨，在计算机控制下，沿激光沉积修复钛合金锻件上表面，逐点连续实施小面积锻压，将第一层熔覆材料全部锻压完成。重复上述熔覆和锻压步骤直至达到原锻件尺寸，将上述经过修复的钛合金锻件放入热处理炉中进行再结晶热处理，温度为920℃，保温时间为1h，空冷至室温。
实施例3
将受损大型复杂航空钛合金锻件置入惰性气氛保护箱，装卡后，改善上盖封箱，将箱内气氛中的氧含量降至50PPm后，通过激光头，采用高精度双路同轴送粉系统进行钛合金激光沉积修复，按照沉积轨迹直到第一层熔覆完成。调整激光工艺参数为激光功率：10000W；扫描速度：10mm/s；光斑直径：6mm；搭接率：50％；送粉速率：15g/min；在钛合金锻件表面形成钛合金激光沉积修复层；对上述经过激光修复的钛合金锻件进行锻压，与压杆连接的压力机压头为弧面点式压头，设置压头的压下量为12吨，在计算机控制下，沿激光沉积修复钛合金锻件上表面，逐点连续实施小面积锻压，将第一层熔覆材料全部锻压完成。重复上述熔覆和锻压步骤直至达到原锻件尺寸，将上述经过修复的钛合金锻件放入热处理炉中进行再结晶热处理，温度为960℃，保温时间为3h，空冷至室温。
Claims (2)
1.一种受损钛合金锻件连续点式锻压激光成形修复方法，其特征在于：
(1)将受损大型复杂航空钛合金锻件置入惰性气氛保护箱，装卡后，封箱，使用氩气保护，控制氧体积分数含量小于5×10-5；然后采用高精度双路同轴送粉系统进行钛合金激光沉积修复，按照沉积轨迹直到第一层熔覆完成，激光工艺参数为激光功率：1800-5000W；扫描速度：3-10mm/s；光斑直径：3-6mm；搭接率：30-50％；送粉速率：5-15g/min；
(2)对上述经过激光修复的钛合金锻件进行锻压，选用弧面点式压头，设置压力机压头的压下量为4-12吨，在计算机控制下，沿激光沉积修复钛合金材料上表面，逐点连续实施小面积锻压，将第一层熔覆材料全部锻压完成；
重复进行上述(1)、(2)步骤，直至达到修复锻件合格的标准尺寸；
(3)对上述经过修复的钛合金锻件在热处理炉中进行再结晶热处理，温度为850-960℃，保温时间为1-3h，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的受损钛合金锻件连续点式锻压激光成形修复方法，其特征在于：对上述经过修复的钛合金锻件进行再结晶热处理的最佳温度为920-940℃；最佳保温时间为1h。
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