CN105349992B - 一种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法，该方法针对上述零件表面出现的机械、腐蚀磨损等故障，选用球形超高强度钢金属粉末，采用合理的激光熔覆工艺参数，并通过适宜的热处理去除熔覆后零件中的残余应力和氢原子，从而恢复飞机垂直销、螺栓零件的性能，实现延寿修复。修复的垂直销、螺栓零件变形几乎为零，热影响区深度控制在了0.5mm以内；修复部位无裂纹、未熔合、夹渣等缺陷；修复的垂直销、螺栓恢复了使用性能。采用该发明修复的飞机垂直销、螺栓零件已通过装机前鉴定，并成功实现装机使用。

Description

一种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法

技术领域

本发明是一种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法，属于激光熔覆技术领域，该方法是采用激光熔融沉积方法对飞机垂直销、螺栓在长期服役后出现的机械或腐蚀磨损故障进行修复。

背景技术

飞机垂直销、螺栓是分别采用18Cr2Ni4WA和40CrNiMoA调质高强度钢通过精密锻造制备的。飞机经历两个或多个翻修周期后，由于长期的飞行使用，在垂直销销杆、螺栓螺杆的工作面(即表面)出现了不同程度的机械或腐蚀磨损，从而导致零件表面出现尺寸超差现象。工作面的磨损深度通常为0.1～1.0mm。由于对垂直销销杆、螺栓螺杆修复区域的强度、耐磨以及耐腐蚀性能有较高要求，故上述缺陷需采用熔化焊的方法进行修复。同时，在修复过程中需要解决的主要问题有：一是零件母材与填充材料应有良好的冶金相容性；二是熔化接头区应具有良好的力学性能和组织均匀性，为了满足飞机一个大修周期的要求，修复后工作面的耐磨(即表面硬度)和耐腐蚀性能应不低于母材；三是修复过程中应严格控制零件的变形量和热影响区深度。显然，常规的熔化焊修复方法(如手工电弧焊、氩弧焊等)的热输入量(≥0.5KJ/mm)相对较大，容易引起垂直销、螺栓在修复过程中出现较大的变形，修复后的热影响区深度也相对较大，经常不能满足工厂或维修准则的要求。因此，需要根据飞机垂直销、螺栓零件的修复要求，自行研究并确定新的修复方法和工艺。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术中存在的问题而设计提供了一种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法，其目的是使修复后的零件无气孔、未熔合、裂纹等缺陷，并具有良好的力学性能；此外，修复后的垂直销销杆、螺栓螺杆表面具有良好的抗机械磨损和抗腐蚀磨损性能。

为了实现上述技术问题的目的，本发明技术方案的具体内容是：

该种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法，所述垂直销的材料为18Cr2Ni4WA，螺栓的材料为40CrNiMoA，垂直销由销螺纹(1)、销杆(2)和底座(3)组成，螺栓由螺纹(4)、螺杆(5)和螺帽(6)，所述飞机垂直销、螺栓零件表面缺陷是指在销杆(2)和螺杆(5)外表面上的浅表层机械或腐蚀磨损,，深度不超过1..0mm，该激光熔覆修复方法是采用激光三维熔覆成形工艺及设备来完成的，其特征在于：该激光熔覆修复方法的步骤包括：

1)对待修复的飞机垂直销、螺栓零件的销杆(2)或螺杆(5)表面进行磨削并去除氧化层，磨削深度为1.0～1.5mm；

2)采用激光三维熔覆成形修复的工艺参数为：激光功率为400～1500W、激光扫描速度为500～1500mm/min、送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉、送粉速度为4～10g/min、道次间的搭接率为30～60％、内保护氩气流量为5～30L/min、外保护氩气流量为10～40L/min；

3)填充材料是颗粒尺寸为Φ35～Φ250μm的球形超高强度钢金属粉末，该超高强度钢的化学成分及质量百分比是：C：≤0.25％、Si：≤0.15％、Mn：≤0.15％、S：≤0.015％、P：≤0.015％、S+P：≤0.025％、Cr：≤4.0％、Ni：6.0～8.5％、Co：8.0～12.5％、余量为Fe，且O、N、H杂质元素总量≤0.5％；

4)修复完成后，采用150～400℃的温度对修复后的垂直销、螺栓零件进行1～2小时的等温热处理以去除熔覆金属中的残余应力和氢原子。

本发明技术方案的优点是：

本发明是采用激光熔覆方法对飞机垂直销销杆、螺栓螺杆表面的机械、腐蚀磨损进行修复，恢复零件的尺寸，降低飞机的使用和维修成本。本发明的激光熔覆方法和工艺可用于材料为18Cr2Ni4WA和40CrNiMoA圆轴类航空零件的熔焊修复，通用性强。相比于手弧焊、氩弧焊等常规熔化焊修复方法，采用激光熔覆方法修复飞机垂直销、螺栓零件的表面缺陷，热输入量与零件变形量均非常小，修复效率高，机械加工工作量少，非常适合圆轴类零件浅表层缺陷的熔焊修复。

前期对垂直销、螺栓螺杆的表面进行了激光熔覆修复试验，并对熔覆修复试样的组织、硬度、室温拉伸、室温冲击等力学性能进行了测试和分析。实验结果表明，激光熔覆层与零件基体实现了很好的冶金结合，组织致密、无裂纹、夹杂和气孔等缺陷；激光熔覆态下熔覆层的显微硬度皆高于了零件母材，且都达到了原始母材的110～125％；相同环境下，熔覆修复层的腐蚀速率不足原始母材的20％；熔覆修复层的室温拉伸性能达到了原始母材的105～115％，而且冲击性能也达到了母材的95％以上；熔覆接头的结合力达到了母材的90％以上。显然，经激光熔覆后的修复层具备优于母材的耐机械、腐蚀磨损性能和室温强度，同时室温塑性也与母材相当。

采用本发明对飞机垂直销、螺栓的磨损部位进行了修复，修复后的零件变形量近乎为零，热影响区宽度能够控制在0.5mm以下；修复部位无裂纹、夹渣等缺陷；修复后工件恢复使用性能。采用该发明修复的飞机垂直销、螺栓已通过装机前鉴定，并成功实现装机使用。

因此该发明的成果可直接用于飞机垂直销、螺栓类零件机械、腐蚀磨损故障的修复，解决当前一旦出现该类缺陷垂直销、螺栓等零件就需报废的问题，为飞机翻修节约成本，也为飞机上出现类似问题提供技术支持。

附图说明

图1为飞机垂直销的结构示意图

图2为飞机垂直销的修复前的照片

图3为飞机垂直销的修复后的照片

图4为飞机螺栓的结构示意图

图5为飞机螺栓的修复前的照片

图6为飞机螺栓的修复后的照片

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的修复技术和工艺作详细说明。

实施例一：采用激光熔覆修复垂直销机械磨损故障的方法和工艺。该方法的步骤是：

1.飞机垂直销故障情况分析：

参见附图1所示为飞机垂直销的结构示意图，垂直销是由销螺纹(1)、销杆(2)和底座(3)组成，材料为18Cr2Ni4WA调质结构钢。飞机到翻修周期时，由于长期使用，在垂直销销杆(2)的外表面出现了明显的机械磨损，如图2所示。鉴于销杆外表面的磨损深度不超过1.0mm，属于浅表层缺陷，故采用适合浅表层缺陷的激光熔覆方法修复飞机垂直销；为了提高修复后销杆外表面的耐磨损性能和垂直销使用寿命，采用了强度更高、耐磨性能更好的超高强度钢金属粉末作为该修复方法的填充材料。

2.飞机垂直销缺陷修复

(1)零件测量和记录，检查并记录飞机垂直销的编号，使用千分尺测量销杆机械磨损区域和未磨损区域的直径等尺寸并做好标记和记录；

(2)修复前零件表面清理，磨削时将垂直销垫在工作台上用软木块牢固夹持；采用磨床对垂直销销杆表面进行磨削并去除氧化层，磨削深度为1.0～1.5mm，打磨时不允许损伤零件的其它部位；

(3)激光三维熔覆成形修复，采用的设备是6KW三维激光焊接、制备系统，在送粉器中装入适量颗粒尺寸Φ35～Φ250μm的球形超高强度钢金属粉末，该超高强度钢的化学成分及质量百分比是：C：0.21％、Si：0.10％、Mn：0.12％、S：0.005％、P：0.008％、S+P：0.013％、Cr：3.23％、Ni：6.25％、Co：8.5％、余量为Fe，且O、N、H杂质元素总量≤0.5％，以激光同轴送粉的方式对垂直销销杆表面进行激光熔覆修复，采用的激光熔覆参数为：激光功率为1000W、激光扫描速度为1250mm/min、送粉速度为10g/min、道次间的搭接率为40％、内保护氩气流量为25L/min、外保护氩气流量为20L/min，熔覆层高度约为1.8mm；

(4)修复后磨削，采用磨床将激光熔覆修复区域磨削至飞机垂直销图纸规定的尺寸，同时按照表面光洁度要求，依次采用400～1200号砂纸依次打磨以提高修复区域表面的光洁度；

(5)去应力与除氢热处理，根据垂直销的化学成分、组织等材料特性，按照《中国航空材料手册》、HB/Z 318-1998和HB/Z 316-2000中的热处理制度规定，采用了200～250℃的温度对修复后的飞机垂直销零件进行1～2小时的等温去应力和除氢热处理；

(6)无损检测，根据修复要求对垂直销的修复区依次进行荧光和磁粉探伤检验，结果显示修复区域中无裂纹、未熔合和夹渣等缺陷,修复后的飞机垂直销零件如图3所示。

实施例二：采用激光熔覆修复螺栓腐蚀磨损的方法和工艺。

1.飞机螺栓故障情况分析：

参见附图4所示为飞机螺栓的结构示意图，垂直销是由螺纹(4)、螺杆(5)和螺帽(6)组成，材料为40CrNiMoA调质结构钢。飞机到翻修周期之后，由于长期使用，在飞机螺栓螺杆(5)的表面出现了明显的腐蚀磨损，如图5所示。鉴于螺杆表面的磨损深度不超过1.0mm，为浅表层缺陷，故采用适合浅表层缺陷的激光熔覆方法修复飞机螺杆；为了提高修复后螺杆表面的耐磨损性能和螺栓使用寿命，采用了强度更高、耐磨性能更好的超高强度钢金属粉末作为该修复方法的填充材料。

2.飞机螺栓缺陷修复

(1)零件测量和记录，检查并记录飞机螺栓的编号，使用千分尺测量螺杆腐蚀磨损区域和未磨损区域的直径等尺寸并做好标记和记录；

(2)修复前零件表面清理，磨削时将螺栓垫在工作台上用软木块牢固夹持；采用磨床对螺栓螺杆表面进行磨削并去除氧化层，磨削深度为1.0～1.5mm，打磨时不允许损伤零件的其它部位；

(3)激光三维熔覆成形修复，采用的设备是6KW三维激光焊接、制备系统，在送粉器中装入适量颗粒尺寸Φ35～Φ250μm的球形超高强度钢金属粉末，该超高强度钢的化学成分及质量百分比是：C：0.21％、Si：0.10％、Mn：0.12％、S：0.005％、P：0.008％、S+P：0.013％、Cr：3.23％、Ni：6.25％、Co：8.5％、余量为Fe，且O、N、H杂质元素总量≤0.5％，以激光同轴送粉的方式对螺栓螺杆表面进行激光熔覆修复，采用的激光熔覆参数为：激光功率为800W、激光扫描速度为600mm/min、送粉速度为4g/min、道次间的搭接率为37.5％、内保护氩气流量为20L/min、外保护氩气流量为20L/min，熔覆层高度约为2.0mm。修复过程中严格控制上述工艺参数；

(4)修复后磨削，采用磨床将激光熔覆修复区域磨削至飞机螺栓图纸规定的尺寸，同时按照表面光洁度要求，依次采用400～1200号砂纸依次打磨以提高修复区域表面的光洁度；

(5)去应力与除氢热处理，根据螺栓的化学成分、组织等材料特性，按照《中国航空材料手册》、HB/Z 318-1998和HB/Z 316-2000中的热处理制度规定，采用了150～200℃的温度对修复后的飞机螺栓零件进行1～2小时的等温去应力和除氢热处理；

(6)无损检测，根据修复要求对螺栓螺杆的修复区依次进行荧光和磁粉探伤检验，结果显示修复区域中无裂纹、未熔合和夹渣等缺陷,修复后的飞机螺杆零件如图6所示。

Claims (1)

1.一种针对飞机垂直销、螺栓零件表面的激光熔覆修复方法，所述垂直销的材料为18Cr2Ni4WA，螺栓的材料为40CrNiMoA，垂直销由销螺纹(1)、销杆(2)和底座(3)组成，螺栓由螺纹(4)、螺杆(5)和螺帽(6)组成，所述飞机垂直销、螺栓零件表面缺陷是指在销杆(2)和螺杆(5)外表面上的浅表层机械或腐蚀磨损，深度不超过1.0mm，该激光熔覆修复方法是采用激光三维熔覆成形工艺及设备来完成的，其特征在于：该激光熔覆修复方法的步骤包括：

1)对待修复的飞机垂直销、螺栓零件的销杆(2)或螺杆(5)表面进行磨削并去除氧化层，磨削深度为1.0～1.5mm；

2)采用激光三维熔覆成形修复的工艺参数为：激光功率为400～1500W、激光扫描速度为500～1500mm/min、送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉、送粉速度为4～10g/min、道次间的搭接率为30～60％、内保护氩气流量为5～30L/min、外保护氩气流量为10～40L/min；

3)填充材料是颗粒尺寸为Φ35～Φ250μm的球形超高强度钢金属粉末，该超高强度钢的化学成分及质量百分比是：C：≤0.25％、Si：≤0.15％、Mn：≤0.15％、S：≤0.015％、P：≤0.015％、S+P：≤0.025％、Cr：≤4.0％、Ni：6.0～8.5％、Co：8.0～12.5％、余量为Fe，且O、N、H杂质元素总量≤0.5％；

4)修复完成后，采用150～400℃的温度对修复后的垂直销、螺栓零件进行1～2小时的等温热处理以去除熔覆金属中的残余应力和氢原子。