CN105887079A - 一种野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法。选用抗氧化性好的自熔性合金粉末，在空气中无惰性气体保护的野外环境中，采用氮气发生器从空气中分离氮气作为载粉气，对磨损类和断裂类等失效零件进行激光成形快速应急修复；通过三维扫描装置扫描失效零件，与数据库理论模型匹对运算得到失效零件的缺损模型，采用优化的激光成形修复工艺参数，按缺损模型逐层进行修复；对修复后零件机加工处理，恢复零件几何尺寸。本发明采用激光成形技术，解决了远海航行、抢险救灾、设备检修等野外恶劣的环境下、零件失效的偶然性，同时离补给地远，无法及时快速应急修复问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光成形修复技术，特别涉及一种野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法。
背景技术
在远海航行、抢险救灾等野外恶劣的环境下，装备零件在长时间服役易发生磨损失效、疲劳断裂，过载断裂等失效形式，若无备用零件，或者离补给地较远，将影响设备的正常运行，如果能够及时快速地修复这些零件，使设备投入正常使用，可以节约资源、降低经济损失，具有巨大的工程应用价值和战略意义。
增材制造颠覆了传统的制造技术，是一种融合材料、信息、制造等多学科交叉的先进制造技术，目前成为国内外的研究热点。激光成形技术结合快速原型和激光熔覆技术，在不借用刀具和模具的情况下，成形出高性能、全致密、具有复杂结构的金属零件，广泛应用于航空航天、生物医疗、零件维修等领域。和传统的电镀法、热喷涂法和堆焊法修复技术相比，激光成形具有快速加热，快速冷却的特点，具有热量输入小，热影响区小，不易损伤基体，熔覆层与基体之间达到冶金结合，结合强度高等优点，获得越来越广泛的应用，为失效零件的修复开辟了新途径。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，针对远海航行、抢险救灾、设备检修等野外环境下装备零件长时间服役后易出现磨损失效、疲劳断裂，过载折断等失效形式，若无备用零件将影响设备的正常运行。本发明修复后的零件恢复到原零件的几何尺寸要求，强度和塑性达到母材的80％以上。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，包括下述步骤：
(1)将待修复零件表面进行打磨处理，除去表面的氧化物和油污；
(2)失效零件便于安装、拆卸，将待修复零件固定在在激光成形工作台上，采用三维扫描装置采集缺损部位模型，与理论模型进行匹对，得到要修复的缺损模型；
当失效零件不便于拆卸，对失效零件进行在线修复，采用三维扫描装置采集缺损部位模型，与理论模型进行匹对，得到要修复的缺损模型；
(3)采用500W的光纤激光器、氮气发生器从空气中分离氮气作为激光成形和修复的送粉气源。根据零件失效类型，选择相应的合金粉末作为修复材料，磨损类零件修复材料选择抗氧化性好、硬度高、耐磨性好的Fe901粉末；疲劳或过载断裂类零件选用硬度适中、强塑性好的Fe314合金粉末。
(4)对缺损模型进行分层处理，选择优化的工艺参数，从缺损模型的最低点开始，逐层进行激光成形修复，修复结束后对修复部位进行表面处理，恢复零件的几何尺寸；
(5)对所修复的零件进行机加工成国家标准拉伸试样，测试修复后零件的力学性能，包括强度和塑性；
(6)对所修复的零件进行线切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀制样，在数字光学显微镜下观察熔覆层与母材的结合状况，熔覆层与母材之间呈冶金结合，结合面处无夹渣、气孔和裂纹，强度和塑性达到母材的80％以上，则零件修复合格。
上述方案中扫描得到的缺损模型精度为±0.05mm，修复工艺参数为激光功率150～250W，扫描速度10～20mm/s，送粉量为4.0～8.0g/min，搭接间距为0.20～0.40mm，按缺损模型逐层进行修复。
用砂轮将待修复零件表面进行打磨抛光处理，除去表面的氧化物和油污。
采用便携式的三维扫描装置，扫描待修复的零件，通过与数据库中的理论模型匹对运算，得到要修复的缺损模型，扫描精度为±0.05mm。
野外环境下难以在惰性气体保护的气氛下进行激光成形修复，采用抗氧化性良好的合金粉末作为修复材料，在空气无保护环境中，采用氮气代替氩气，通过氮气发生器从空气中分离氮气作为载粉气源，且其纯度可调，氮气体积分数为98.0～99.9％。
所述的修复材料是指磨损类零件修复材料选择抗氧化性好、硬度高、耐磨性好的Fe901粉末，疲劳或过载断裂类零件选用硬度适中、强塑性好的Fe314合金粉末。
所述的修复工艺参数为激光功率150～250W，扫描速度10～20mm/s，送粉量为4.0～8.0g/min，搭接间距为0.20～0.40mm，按缺损模型逐层进行修复。
所述的电子万能材料试验机型号为Istron5985、显微硬度计的型号为HXD-2000TMSC/LCD、数字光学显微镜型号为KEYENCE VH-8000。
本发明针对远海航行、抢险救灾、设备检修等野外环境下激光成形快速应急修复失效零件。野外环境不同于传统的实验室，无法在惰性气体保护的环境下进行激光成形修复，所以采用抗氧化性好、含有Si、B脱氧造渣元素的自熔性合金粉末Fe901和Fe314作为修复材料。采用制氮纯度为98.0～99.5％的氮气发生器从空气中分离氮气作为激光成形所需的载粉气源，不仅气体纯度满足修复后的性能要求，且避免了携带诸多气瓶，减轻设备重量，经济方便。
附图说明
图1为激光维修成形系统示意图。
图中：1、透镜；2、数控平台；3、熔池；4、载气粉末；5、激光束；6、同轴送粉喷嘴。
图2为激光成形Fe314修复零件熔覆层与基体金相形貌照片。
图2(a)为Fe314修复结合面宏观形貌图；
图2(b)为Fe314修复结合面微观形貌图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
参照图1所示，本发明所述便携式激光维修成形系统包括数据库系统、三维扫描系统、激光成形系统和机加工系统。数据库系统存储各类零部件的理论模型；三维扫描系统用于扫描待修复的失效零件，与数据库理论模型进行匹对运算，得到要修复的缺损模型；激光成形系统包括激光器、同轴送粉系统、工控机和氮气发生器等装置，其中激光器产生激光提供能量源、同轴送粉系统输送合金粉末、工控机控制设备的相对运动、氮气发生器提供成形修复气源。其特征在于：选用自熔性合金粉末Fe901和Fe314，在空气中无惰性气体保护的野外环境条件下，采用氮气发生器从空气中分离氮气作为载粉气，对磨损类和断裂类等失效零件进行激光成形快速应急修复。
附例-野外环境下激光成形快速应急修复过载断裂某设备齿轮。
1、激光成形修复40Cr合金钢齿轮，选用自熔性合金粉末Fe314，粉末粒度为45～100μm，含有Si、B非金属元素，抗氧化性好，硬度适中、强塑性好，适用于野外环境下成形修复。
2、将Fe314粉末置于真空干燥箱中加热到200℃，保温4h，以去除水分并可增强粉末流动性；待修复齿轮表面用砂轮打磨后，用乙醇清洗，去除表面氧化层和油污。
3、调整氮气发生器的制氮纯度为99.0％、流量为8L/min，为成形修复提供载粉气源；通过三维扫描装置扫描待修复齿轮，与数据库理论模型匹对运算，得到缺损部位的几何模型，导入激光成形工控机中。
4、成形修复过程采用填充扫描方式，即先扫外部轮廓然后填充内部，主要工艺参数为激光功率180～200W，扫描速度10～15mm/s，送粉量为4.5g/min，搭接间距为0.25mm，按缺损模型逐层进行修复。
5、对修复齿轮进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光、腐蚀，最后在型号为KEYENCEVH-8000数字光学显微镜下观察熔覆层与母体的结合状况；对所修复的零件进行机加工成国家标准拉伸试样，测试修复后零件的力学性能。
修复结果表明：野外环境下激光成形修复齿轮类零件，恢复了齿轮齿形的几何尺寸；熔覆层与母体呈冶金结合，结合面处无夹渣、气孔、裂纹等缺陷，见图2(a)和(b)；激光成形修复后零件的强度超过母体，达到母体的106％，塑性和母体相近，达到母体的89％，见表-1。
表-1激光成形修复齿轮零件常温拉伸性能
Claims (7)
1.一种野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，包括便携式激光维修成形系统，便携式激光维修成形系统包括数据库系统、三维扫描系统、激光成形系统和机加工系统，其特征在于：选用自熔性合金粉末Fe901和Fe314，在空气中无惰性气体保护的野外环境条件下，采用氮气发生器从空气中分离氮气作为载粉气，对磨损类和断裂类等失效零件进行激光成形快速应急修复，包括下述步骤：
(1)将待修复零件表面进行打磨抛光处理，除去表面的氧化物和油污；
(2)失效零件便于拆卸，将待修复零件固定在激光成形工作台上，采用三维扫描装置采集缺损部位模型，与数据库中理论模型进行匹对，得到要修复的缺损模型；
当失效零件不便于拆卸，对失效零件进行在线修复，采用三维扫描装置采集缺损部位模型，与数据库中理论模型进行匹对，得到要修复的缺损模型；
(3)采用500W的光纤激光器、氮气发生器从空气中分离氮气作为激光成形和修复的载粉气源、根据零件失效类型，选择合金粉末作为修复材料；
(4)对缺损模型进行分层处理，选择修复工艺参数，从缺损模型的最低点逐层进行激光成形修复，对修复部位进行表面处理，恢复失效零件的几何尺寸；
(5)对修复的零件进行机加工成国家标准拉伸试样，测试修复后零件的力学性能，包括强度和塑性；
(6)对所修复零件进行线切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀制样，在数字光学显微镜下观察熔覆层与母材的结合状况；熔覆层与母材之间呈冶金结合，结合面处无夹渣、气孔和裂纹，强度和塑性达到母材的80％以上，则零件修复合格。
2.如权利要求1所述的野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，其特征在于，用砂轮将待修复零件表面进行打磨抛光处理，除去表面的氧化物和油污。
3.如权利要求1所述的野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，其特征在于，采用便携式的三维扫描装置，扫描待修复的零件，通过与数据库中的理论模型匹对运算，得到要修复的缺损模型，扫描精度为±0.05mm。
4.如权利要求1所述的野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，其特征在于，野外环境下难以在惰性气体保护的气氛下进行激光成形修复，采用抗氧化性良好的合金粉末作为修复材料，在空气无保护环境中，采用氮气代替氩气，通过氮气发生器从空气中分离氮气作为载粉气源，且其纯度可调，氮气体积分数为98.0～99.9％。
5.如权利要求1所述的野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，其特征在于，所述的修复材料是指磨损类零件修复材料选择抗氧化性好、硬度高、耐磨性好的Fe901粉末，疲劳或过载断裂类零件选用硬度适中、强塑性好的Fe314合金粉末。
6.如权利要求1所述的野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，其特征在于，所述的修复工艺参数为激光功率150～250W，扫描速度10～20mm/s，送粉量为4.0～8.0g/min，搭接间距为0.20～0.40mm，按缺损模型逐层进行修复。
7.如权利要求1所述的野外环境下激光成形快速应急修复失效零件的方法，其特征在于，所述的电子万能材料试验机型号为Istron5985、显微硬度计的型号为HXD-2000TMSC/LCD、数字光学显微镜型号为KEYENCE VH-8000。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160824 |