CN103114286A - 一种超声辅助激光修复钛合金的方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声辅助激光修复钛合金的方法，其具体步骤如下：（1）将待修复件表面进行打磨抛光处理，去掉氧化层直到露出光亮的金属光泽为止；（2）在进行激光修复的同时，采用超声波发生装置作用在激光修复的熔池内，使熔池的振幅为7-12微米；（3）利用功率为2000W的超声波推动冲击变幅杆以每秒二万次以上的频率冲击激光修复区域的表面进行去应力处理，变幅杆的振幅在100微米以上。本发明超声设备操作简单，无污染，能够顺利应用到激光沉积修复工艺中去，柔性化程度高。而且明显改善了修复层组织，显著提高修复件质量，修复层中晶粒明显细化，组织更加均匀；修复层与基材之间连接过渡自然，实现了冶金结合状态；修复件的质量稳定，无残余应力，不变形开裂。
Description
技术领域：本发明涉及一种激光修复钛合金的方法，特别是一种超声辅助激光修复钛合金的方法,属于材料成形领域。
背景技术：二十世纪70年代诞生了激光修复工艺的核心技术——激光熔覆技术，80年代得到了迅猛发展。由于这种工艺具有操作简便，无污染以及能够缩短生产周期，材料利用率高，特别适合修复复杂结构的难加工金属零件等优点，因此广泛应用在基于钛合金等难加工材料的航空、航天、船舶等领域。钛合金加工生产工艺复杂，生产过程中产生大量残钛，用钛材制造零件，不仅再次产生大量残钛，而且加工、制造难度较大，耗费工时和能量多。对于已损坏的压缩机叶片、盘及静态零件等航空发动机部件，若是重新制造的话，机加工切削量高达85%，换句话说，原料的利用率只有锻件的15%，这样使得钛制部件的制造成本大大提高，阻碍了其更为广泛的应用。
激光修复工艺应用到钛合金制件的再修复中，一方面，使得已损坏件能够被快速修好，在满足使用要求的前提下，投入生产；另一方面，避免因为损坏程度小而废弃，造成浪费；此外，利用此工艺还变向的延长了零件的使用寿命。但是，激光修复工艺修复的零件的修复区晶粒粗大，枝晶偏析严重，而且由于修复过程中内部过热造成后期变形严重，严重影响了修复件的质量和使用性能。
发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种可解决钛合金激光沉积修复件修复层的组织晶粒粗大，残余应力大的问题的超声辅助激光修复钛合金的方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超声辅助激光修复钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）将待修复件表面进行打磨抛光处理，去掉氧化层直到露出光亮的金属光泽为止；
（2）在进行激光修复的同时，采用超声波发生装置作用在激光修复的熔池内，使熔池的振幅为7-12微米；
（3）利用功率为2000W的超声波推动冲击变幅杆以每秒二万次以上的频率冲击激光修复区域的表面进行去应力处理，变幅杆的振幅在100微米以上。
优选的，所述的超声波发生装置为超声波换能器，其频率为17千赫-23千赫。
工作原理：
1、组织细化的机理：
（1）空化现象：存在液体中的微气核空化泡在超声波的振动作用下，当声压达到一定值时便会生长和崩溃，产生的冲击波可以破碎合金熔体中的枝状晶粒，从而形核率增多，达到细化晶粒的目的。
（2）声流搅拌理论：高能超声在熔体中传播时，振幅衰减使液体从振源处开始形成一定的声压梯度，导致液体流动，当声压幅值超过一定数值时，在液体内部会形成一个流体的喷射，从而形成声流。在声流的作用下，结晶长大的枝状晶粒被打碎，抑制晶粒的长大，从而使得晶粒细化。
这两种理论共同抑制了晶粒的长大，增大了形核率，打碎了枝状晶粒，从而细化了晶粒。
2、应力释放机理：
超声波去除应力是利用变幅杆推动冲击针工具头高速前冲。冲击针冲击工件后，能量向修复层传递，使修复区的表面层内的残余拉伸应力变为压应力，以达到消除内应力的作用。冲击头受工件的反作用后回弹，碰到高频振动的变幅杆后，再次受到激发，又一次高速度撞向修复层，如此反复多次，完成冲击作业。
本发明超声设备操作简单，无污染，能够顺利应用到激光沉积修复工艺中去，柔性化程度高。而且明显改善了修复层组织，显著提高修复件质量，修复层中晶粒明显细化，组织更加均匀；修复层与基材之间连接过渡自然，实现了冶金结合状态；修复件的质量稳定，无残余应力，不变形开裂。
附图说明：
图1是实施例1的工作示意图。
图2是超声波振动去除应力的工作示意图。
图3是实施例2的工作示意图。
图4是实施例3的工作示意图。
图5是未施加超声振动的修复层内部组织晶粒效果图。
图6是施加超声振动的修复层内部组织晶粒效果图。
具体实施方式：
实施例1
一种超声辅助激光修复钛合金的方法，其具体步骤如下：
1、将待修复工件表面进行打磨抛光处理，去掉氧化层直到露出光亮的金属光泽为止；
2、将处理过的待修复工件件放置在工作台上，定位并夹紧；
3、如图1所示：本实施方式中超声是从待修复件的下方引入的。工件3的上端为激光熔敷修复装置，所述的激光熔敷修复装置包括激光器6，聚焦镜1，送粉器7，同轴送粉喷嘴2和保护气装置8。激光器6和聚焦镜1平行设置，同轴送粉喷嘴2设在聚焦镜1的下端。送粉器7与同轴送粉喷嘴2连接。保护气装置8设置在同轴送粉喷嘴2的下端。激光熔敷修复装置对工件3表面的受损部位进行激光修复，与超声波换能器9连接的变幅杆4作用在工件3的下面，使熔池的振幅为7-12微米。图中5为工件和变幅杆上的振动波形。所述超声波换能器频率为19.56千赫。
4、如图2所示：超声波振动去除应力则利用功率为2000W的超声波推动冲击变幅杆（振幅在100微米以上）以每秒二万次以上的频率冲击修复件修复区域的表面，由于超声波的高频、高效和聚焦下的大能量，使修复区表层产生较大的压塑性变形；同时超声冲击波改变了原有的应力场，产生一定数值的压应力，使超声冲击部位得以强化，从而释放应力。
实施例2
如图3所示：本实施例中超声是从待修复件的斜上方引入的。
1、将待修复件表面进行打磨抛光处理，去掉氧化层直到露出光亮的金属光泽为止；
2、将处理过的待修复件放置在工作台上，定位并夹紧；
3、采用5KW CO2横流激光器，氩气作为保护气，在真空箱内进行激光修复，并且在修复过程中，将超声波施加到熔池中，所述超声波通过悬空在激光束一侧的超声波发生装置产生，倾斜角度a为45度，超声波通过陶瓷传振杆直接传至熔池。超声波频率20000Hz,功率2.2W,即完成超声辅助激光修复。其中激光修复工艺参数：激光功率选取1700W，送粉率0.7g/min，扫描速度6mm/s，分层厚度0.3mm。
4、去除应力过程同实施例1。
实施例3
如图4所示：本实施例与实施例2不同的是，步骤3中超声波是通过空气直接传至熔池（超声波发生器不接触熔池），其他工艺参数和步骤与实施例2相同。
如图5和图6所示：经超声处理后使组织形核率增加，境界被打碎，晶粒细化，组织分布更均匀。
Claims (2)
1.一种超声辅助激光修复钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）将待修复件表面进行打磨抛光处理，去掉氧化层直到露出光亮的金属光泽为止；
（2）在进行激光修复的同时，采用超声波发生装置作用在激光修复的熔池内，使熔池的振幅为7-12微米；
（3）利用功率为2000W的超声波推动冲击变幅杆以每秒二万次以上的频率冲击激光修复区域的表面进行去应力处理，变幅杆的振幅在100微米以上。
2.如权利要求1所述的一种超声辅助激光修复钛合金的方法，其特征在于：所述的超声波发生装置为超声波换能器，其频率为17千赫-23千赫。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130522 |