CN105154870B - 一种金属零件应力控制3d打印再制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属零件应力控制3D打印再制造方法,首先制备金属零件本体试样和融覆试样，并用激光冲击获得相同残余压应力所需的激光参数；其次对待修复金属零件进行预处理，并利用图像识别方法确定零件修复区域和修复余量；然后利用激光3D打印机逐层融覆修复金属零件，使修复部位尺寸达到零件原设计尺寸；最后使用激光冲击消除残余拉应力，再利用激光冲击强化方法，使金属零件工作表面形成残余压应力层。本发明使用激光3D打印进行零件修复，零件整体变形不大，且修复尺寸精度易控制，不需后续加工；修复后的零件整体强度相同，在使用激光冲击强化后零件表面强化层的残余压应力值保持均衡，延长再制造后零件的使用寿命。

Description

一种金属零件应力控制3D打印再制造方法

技术领域

本发明涉及技术领域，尤其是一种应力控制3D打印修复方法。

背景技术

金属机械零件长期使用后易产生疲劳裂纹、磨损、点蚀、断裂剥落等形式的失效，导致机械零件使用性能下降或报废。为降低损失，减少金属资源浪费，节约企业运行成本，常对失效零件进行修复再制造。一般再制造方法有堆焊、融覆、电弧沉积等。

如申请号为201110326721.8的中国发明专利，其公开一种硬齿面齿轮及硬齿面齿轮修复工艺，包括前期处理阶段，预处理硬齿面齿轮，使硬齿面齿轮达到修复要求；修复阶段，使硬齿面齿轮表面形成熔覆层；加工阶段，加工经过修复阶段的硬齿面齿轮，使硬齿面齿轮达到修复标准。即是在经过预处理的齿轮上融覆合金材料，然后加工到原设计尺寸，从而降低硬齿面齿轮的报废率，提高企业的经济效益。再如申请号为201310054557.9的中国发明专利，公开一种航空发动机叶片损伤的修复方法，该方法依据待修复叶片表面尺寸形状特征进行分段处理，设定各段脉冲等离子热输入参数和脉动送丝控制参数，分段进行等离子焊接修复。

常规修复再制造使用的填充材料一般不同于零件的本体材料成分，修复后的零件在使用过程中，两种材料结合界面处易产生疲劳缺陷。另外，由于再制造过程中受热影响作用，再制造后的零件表层常存在残余拉应力层，残余拉应力层的存在，降低了零件的抗疲劳强度和耐磨性能，使零件的抗疲劳寿命缩短。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种金属零件应力控制3D打印再制造方法，使修复后的金属零件表层产生残余压应力层，提高零件的抗疲劳性能，延长零件的抗疲劳寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种金属零件应力控制3D打印再制造方法, 其特征在于：包括材料准备阶段：制备金属零件本体试样和融覆试样，并用激光冲击进行试样应力试验，获得相同残余压应力所需的激光参数；预处理阶段：对待修复金属零件进行预处理，使其表面达到修复要求，并利用图像识别方法确定零件修复区域和修复余量；3D打印修复阶段：将预处理后的待修复金属零件安装在激光3D打印机上，利用激光3D打印机逐层融覆修复金属零件，使修复部位尺寸达到零件原设计尺寸；应力控制阶段：修复完成后，使用激光冲击消除修复部位及其附近区域的残余拉应力，然后利用激光冲击强化方法，使金属零件工作表面形成残余压应力层。

进一步地，所述预处理阶段，包括以下步骤：

1）清洗探伤：采用有机溶剂清洗待修复零件，去除零件表面油污、污渍，并采用无损探伤技术检测裂纹等缺陷的尺寸位置；

2）打磨：零件表面机械抛光，并对裂纹等缺陷部位打磨出坡口；

3）图像识别：使用图像识别设备扫描零件，获得零件的三维图像；

4）三维模型：利用计算机软件根据三维图像建立零件的三维CAD模型；

5）模型比对：利用计算机软件比对建立的三维CAD模型和零件原设计图纸的三维模型，确定零件的修复部位和修复量。

进一步地，所述3D打印修复阶段，包括以下步骤：

1）预热：利用激光束扫描零件修复部位，使修复部位材料表面发生浅层熔化，使修复部位的疲劳微裂纹融合；

2）涂布融覆材料：向预热后的修复部位喷涂融覆剂，融覆剂附着在预热部位后受预热部位预热作用，融覆剂中的有机溶剂蒸发，金属粉末固着在零件修复部位表面；

3）激光融覆：利用激光束扫描融覆层材料，使固着在修复部位的融覆层金属粉末材料与底层材料融合；

4）图像识别：使用图像识别设备扫描零件，获得零件的三维图像；

5）三维模型：利用计算机软件根据三维图像建立修复部位的三维CAD模型；

6）模型比对：利用计算机软件比对修复部位的三维CAD模型和零件原设计图纸的三维模型，确定修复部位的剩余修复量。

7）重复步骤2-6，直至修复部位尺寸达到零件原设计尺寸。

进一步地，所述应力控制阶段包括如下步骤：

1）对零件修复部位进行激光冲击，使零件表面的残余拉应力释放，从而消除零件表面的残余拉应力；

2）对零件的整个表面进行激光冲击强化，对于零件未进行激光融覆的部位，采用材料制备阶段根据本体试样试验确定的激光参数进行激光冲击强化，对于融覆部位则采用材料制备阶段根据融覆试样确定的激光参数进行冲击强化。

进一步地，所述金属零件本体试样的制备是指选取与零件本体材料相同的金属材料，用常规金属加工方法制成一定尺寸的本体试样；所述融覆试样的制备是指用融覆剂采用激光3D打印方法制成的一定尺寸的融覆试样。所述融覆剂是将混合金属粉末与有机溶剂混合，混合后采用超声振动形成均匀的悬浊液，混合金属粉末是根据零件本体材料化学组成成分，利用相应的金属粉末进行混合制成。

本发明的有益效果是：使用激光3D打印进行了解修复，热影响区小，零件整体变形不大，且零件修复的尺寸精度易于控制，不需后续加工；使用与本体材料成分相同的融覆材料，修复后的零件整体强度相同，在使用激光冲击强化后零件表面强化层的残余压应力值保持均衡，使零件整体具有相同的抗疲劳寿命，保证零件的整体强度均衡，达到提高零件再制造后使用寿命延长，节约设备的运行成本。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种金属零件应力控制3D打印再制造方法,包括材料准备阶段：制备金属零件本体试样和融覆试样，并用激光冲击进行试样应力试验，获得相同残余压应力所需的激光参数；

预处理阶段：对待修复金属零件进行预处理，使其表面达到修复要求，并利用图像识别方法确定零件修复区域和修复余量；

3D打印修复阶段：将预处理后的待修复金属零件安装在激光3D打印机上，利用激光3D打印机逐层融覆修复金属零件，使修复部位尺寸达到零件原设计尺寸；

应力控制阶段：修复完成后，使用激光冲击消除修复部位及其附近区域的残余拉应力，然后利用激光冲击强化方法，使金属零件工作表面形成残余压应力层。

下面结合图1，以0Cr13Ni4M0材料的水轮机叶片裂纹修复为例，说明本发明一种金属零件应力控制3D打印再制造方法的实施过程。

本实施例要求修复后的叶片表面残余压应力幅值在20-30MPa之间。

1、材料制备阶段：

1）本体试样制备：用0Cr13Ni4M0不锈钢板材加工成厚度为10mm，宽度为20mm，长度为150mm的本体试样；

2）金属粉末制备：将粒度为2-5微米的铁粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉按铁粉82%、Cr粉13%、Ni粉4%、Mo粉0.6%的比例混合均匀；

3）融覆剂制备：将混合金属粉末与有机溶剂环氧树脂按固液比20%混合，混合后经超声波振动形成混合均匀的悬浊液融覆剂；

4）采用激光3D打印方法制备出与本体试样尺寸相同的融覆试样；

5）冲击试验：以脉冲宽度23ns，激光光斑直径1mm，激光能量从1J开始，以0.5J幅度逐渐逐渐，在本体试样和融覆试样上各冲击80个独立冲击点，冲击后进行残余应力检测，发现对应本体试样满足残余压应力值要求的激光能量为8.5J，融覆试样残余压应力满足要求的激光能量为10J。

2、预处理阶段：

1）清洗探伤：用丙酮清洗叶片，并采用超声探伤，确定裂纹深度和长度；

2）打磨：叶片表面机械抛光，并对裂纹等缺陷部位打磨出坡口；

3）图像识别：使用图像识别设备扫描零件，获得零件的三维图像；

4）三维模型：利用计算机软件根据三维图像建立零件的三维CAD模型；

5）模型比对：利用计算机软件比对建立的三维CAD模型和零件原设计图纸的三维模型，确定零件的修复部位和修复量。

3、3D打印修复阶段：

1）预热：利用脉冲宽度10ms、激光直径0.5mm、能量3J的激光束以1.5mm/s的速度扫描零件修复部位，使修复部位材料表面发生浅层熔化，熔化层深度0.1mm左右，使修复部位的疲劳微裂纹融合；

2）涂布融覆材料：向预热后的修复部位喷涂融覆剂，融覆剂附着在预热部位后受预热部位预热作用，融覆剂中的有机溶剂蒸发，金属粉末固着在零件修复部位表面，固着的金属粉末融覆层厚度30-45微米；

3）激光融覆：利利用脉冲宽度10ms、激光直径0.5mm、能量3J的激光束以0.8mm/s的速度扫描融覆层材料，使固着在修复部位的融覆层金属粉末材料与底层材料融合；

4）图像识别：使用图像识别设备扫描零件，获得零件的三维图像；

5）三维模型：利用计算机软件根据三维图像建立修复部位的三维CAD模型；

6）模型比对：利用计算机软件比对修复部位的三维CAD模型和零件原设计图纸的三维模型，确定修复部位的剩余修复量；

7）重复步骤2-6，直至修复部位尺寸达到零件原设计尺寸。

4、应力控制阶段：

1）以脉冲宽度23ns，激光光斑直径1mm，激光能量为4J的激光束，逐点冲击融覆区域及其周边10-15mm范围，光斑重叠面积80%，通过激光冲击释放修复区域及其影响区的残余拉应力；

2）以脉冲宽度23ns，激光光斑直径1mm，激光能量为8.5J的激光束逐点冲击叶片非修复区域，激光光斑重叠面积10%；以脉冲宽度23ns，激光光斑直径1mm，激光能量为10J的激光束逐点冲击融覆区域，光斑重叠面积10%。

激光冲击强化后的叶片表面形成一层强化深度1mm左右，幅值在20-30MPa的残余压应力层，残余压应力层的存在，提高了叶片的抗疲劳性能和耐磨性能。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种金属零件应力控制3D打印再制造方法, 其特征在于：包括材料准备阶段：制备金属零件本体试样和融覆试样，并用激光冲击进行试样应力试验，获得相同残余压应力所需的激光参数；

预处理阶段：对待修复金属零件进行预处理，使其表面达到修复要求，并利用图像识别方法确定零件修复区域和修复余量；

3D打印修复阶段：将预处理后的待修复金属零件安装在激光3D打印机上，利用激光3D打印机逐层融覆修复金属零件，使修复部位尺寸达到零件原设计尺寸；

应力控制阶段：修复完成后，使用激光冲击消除修复部位及其附近区域的残余拉应力，然后利用激光冲击强化方法，使金属零件工作表面形成残余压应力层；

所述3D打印修复阶段，包括以下步骤：

1）预热：利用激光束扫描零件修复部位，使修复部位材料表面发生浅层熔化，使修复部位的疲劳微裂纹融合；

2）涂布融覆材料：向预热后的修复部位喷涂融覆剂，融覆剂附着在预热部位后受预热部位预热作用，融覆剂中的有机溶剂蒸发，金属粉末固着在零件修复部位表面；

3）激光融覆：利用激光束扫描融覆层材料，使固着在修复部位的融覆层金属粉末材料与底层材料融合；

4）图像识别：使用图像识别设备扫描零件，获得零件的三维图像；

5）三维模型：利用计算机软件根据三维图像建立修复部位的三维CAD模型；

6）模型比对：利用计算机软件比对修复部位的三维CAD模型和零件原设计图纸的三维模型，确定修复部位的剩余修复量；

7）重复步骤2）-6），直至修复部位尺寸达到零件原设计尺寸。

2.根据权利要求1所述的金属零件应力控制3D打印再制造方法，其特征在于：所述预处理阶段，包括以下步骤：

1）清洗探伤：采用有机溶剂清洗待修复零件，去除零件表面油污、污渍，并采用无损探伤技术检测裂纹等缺陷的尺寸位置；

2）打磨：零件表面机械抛光，并对裂纹等缺陷部位打磨出坡口；

3）图像识别：使用图像识别设备扫描零件，获得零件的三维图像；

4）三维模型：利用计算机软件根据三维图像建立零件的三维CAD模型；

5）模型比对：利用计算机软件比对建立的三维CAD模型和零件原设计图纸的三维模型，确定零件的修复部位和修复量。

3.根据权利要求1所述的金属零件应力控制3D打印再制造方法，其特征在于：所述应力控制阶段包括如下步骤：

1）对零件修复部位进行激光冲击，使零件表面的残余拉应力释放，从而消除零件表面的残余拉应力；

2）对零件的整个表面进行激光冲击强化，对于零件未进行激光融覆的部位，采用材料制备阶段根据本体试样试验确定的激光参数进行激光冲击强化，对于融覆部位则采用材料制备阶段根据融覆试样确定的激光参数进行冲击强化。

4.根据权利要求1-3任一项权利要求所述的金属零件应力控制3D打印再制造方法，其特征在于：所述金属零件本体试样的制备是指选取与零件本体材料相同的金属材料，用常规金属加工方法制成一定尺寸的本体试样；所述融覆试样的制备是指用融覆剂采用激光3D打印方法制成的一定尺寸的融覆试样。

5.根据权利要求4所述的金属零件应力控制3D打印再制造方法，其特征在于：所述融覆剂是将混合金属粉末与有机溶剂混合，混合后采用超声振动形成均匀的悬浊液，混合金属粉末是根据零件本体材料化学组成成分，利用相应的金属粉末进行混合制成。