CN105714286B - 一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，该方法适用于表面有微小裂纹的不锈钢。包括：处理待修复的不锈钢表面微小裂纹尖端；在微小裂纹尖端处预置含纳米颗粒的复合粉末；利用激光使复合粉末和基体局部熔凝；修整完成修复的裂纹尖端区域；检测修复后不锈钢基体的断裂性能和观察修复层截面的微观组织。本发明的修复方法灵活性高，可以多次进行修复；同时本修复方法避免了常规方法中变形大、热影响区大等问题。本修复方法使裂纹尖端重新闭合，基体与预置在裂纹尖端的复合粉末呈冶金结合，结合区无裂纹、气孔等缺陷；裂纹尖端修复层的晶粒得到细化，组织的致密性得到提高；另外修复后的断裂性能得到显著性地提高。

Description

一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法
技术领域
本发明属于裂纹修复技术领域，涉及一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，该方法适用于表面有微小裂纹的不锈钢。
背景技术
由于不锈钢具有良好的强度和优越的耐腐蚀性，故在汽车、能源、航空航天等领域有着广泛的应用。材料为不锈钢的服役工件在受到循环载荷工作应力的影响下，会产生微观缺陷，其中的微观缺陷慢慢扩展成为宏观裂纹。我们为了保证服役工件的安全性，不得不忍痛将含有微小裂纹的工件废弃。同样，由于不锈钢在加工、运输的过程中在其表面会产生损伤或划伤，如果不能对工件进行良好的恢复，整个工件就会报废。
金属构件长寿命耐久性及其含有微小裂纹的修复问题已越来越成为当今机械、材料、力学领域十分关注的课题。传统的修复方法，氩弧焊、等离子喷涂、等离子电弧焊、钨极惰性气体保护焊这些方法虽工艺简单但在修复过程中热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，焊接容易变形，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题，同时修复过程中易引起收缩变形，因此这些方法的应用具有很大的局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，发明了一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，该方法能够解决含有微小表面裂纹不锈钢的止裂延寿问题。对含有微小表面裂纹的不锈钢应用该发明方法修复后，基体与复合粉末呈现冶金结合，结合区无裂纹、气孔产生，晶粒得到细化且组织的致密性得到显著地提高，延长了构件使用寿命，提高了其可靠性和安全性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，具体包括以下步骤：
第1步：对待修复的不锈钢表面微小裂纹尖端进行处理。
用砂纸对待修复区域进行打磨，接着用清洗剂清洗，然后烘干，使表面保持洁净，防止杂质进入修复层影响其质量和性能。所述的不锈钢为奥氏体不锈钢；所述的清洗剂为无水乙醇、丙酮等；利用砂纸打磨的过程中，在磨面上所施力应均衡，磨面与砂纸完全接触，每换下一号细砂纸时，磨面方向应旋转90°，这样保证表面较为平整，使结合的表面较好。
第2步：将复合粉末与无水乙醇进行调和，均匀预置在待修复的不锈钢表面微小裂纹尖端处，再将复合粉末压实，保证表面平整、孔隙率低，然后用自制的“凹”字型工具去除多余的复合粉末。所述的复合粉末与基体材料成分相近、热膨胀系数相近、熔点相近、润湿性相近，性能优于被修复材料，复合粉末的厚度为0.8-1.2mm，复合粉末包括纳米级WC颗粒和微米级不锈钢粉末，微米级不锈钢粉末大小50-100μm,纳米WC颗粒大小为50-80nm。所述的待修复表面微小裂纹尖端处预置复合粉末的面积为50-150mm2，预置的复合粉末重量为1-3g。复合粉末与无水乙醇进行调和过程中，1g复合粉末中加入1-3mL无水乙醇。
第3步：利用激光束的高能量密度，对待修复的表面微小裂纹尖端进行快速熔凝，使复合粉末和不锈钢基体紧紧结合在一起，完成表面微小裂纹尖端的修复工作。所述的激光工艺参数为：激光功率1.5-2kW，光斑直径3-6mm，激光时间0.8-1.2s，离焦量10-20mm。
第4步：去除修复后残留在不锈钢表面微小裂纹尖端处的多余粉末，并对修复区域进行去毛刺修整处理，使其达到表面洁净光滑的质量要求。
第5步：对修复后不锈钢基体的断裂性能进行检测，并观察修复层截 面的微观组织。
本发明利用激光束高能量密度、快速熔凝、激光加热区域小、应力变形小等特点，避免了其它加工方法中的热影响区大，工件变形大，使用过程中易产生脱落、开裂等问题，有效的使表面微小裂纹尖端闭合，解决了不锈钢表面微小裂纹的问题，大幅度提高材料的断裂性能，达到延寿和提高构件可靠性和安全性的目的。激光使预置在裂纹尖端周围的复合粉末和基体局部熔凝，从而使裂纹尖端重新闭合，达到对不锈钢表面微小裂纹尖端进行修复的目的，延长零件的使用寿命和提高构件的安全性和可靠性。修复时预置的复合粉末与基体间呈冶金结合，处理后无裂纹和气孔产生。一方面，由于激光能使不锈钢裂纹尖端快速熔凝，所以得到的晶粒组织均匀细小；另一方面，在复合粉末中加入了一定量的高熔点纳米硬质相颗粒，不仅可以起到异质形核的作用，还能阻碍晶粒的长大，使裂纹尖端的晶粒更加细小，这样可显著提高材料的断裂性能，扩大其适用范围和领域，延长其使用寿命。
本发明的具体优点如下所述。1)修复过程中加热区域小、修复层厚度易控制、应力变形小。2)修复方法的灵活性高，可以多次对基体表面微小裂纹尖端进行修复，而且对基体的形状没有限制。3)该方法可用于修复关键及贵重零部件，修复技术简单快捷，效率高，节约了资源和能源，降低了再制造成本和缩短了生产周期。
附图说明
图1为不锈钢表面微小裂纹尖端的修复方法路线图；
图2(a)为实施例未进行修复裂纹实验的不锈钢试件；
图2(b)为实施例完成修复裂纹实验的不锈钢试件；
图3为实施例修复不锈钢裂纹尖端后修复层与热影响区的界面图；
图4为实施例未修复的不锈钢试件裂纹尖端晶粒图；
图5为实施例修复不锈钢裂纹尖端后修复层中的晶粒图；
图6为实施例在不同载荷下修复件与未修复件的COD值。
具体实施方案
下面通过具体实施案例进一步说明本发明。
首先对304不锈钢表面微小裂纹尖端进行处理，用砂纸进行打磨，接着用无水乙醇清洗，然后烘干。
其次将含纳米WC和微米304不锈钢粉末的复合粉末与无水乙醇进行调和，均匀预置在基体不锈钢的表面，预置粉末面积大约为100mm2，厚度为1mm,粉末的质量大约为2g，保证表面平整、孔隙率低。
再利用激光束的高能量密度，快速熔凝复合粉末和基体材料，使复合粉末和基体发生冶金结合，紧紧结合在一起，从而完成裂纹的修复工作。最后去除修复后残留在不锈钢表面微小裂纹尖端处的多余粉末，并对修复区域进行去毛刺等修整处理，使其达到表面质量要求。具体工艺参数为：激光功率1.8kW，光斑直径4mm，激光时间1s，离焦量20mm。
性能检测：
第一步：将修复的304不锈钢试件与未进行修复的试件分别进行拉伸试验。
①对一组试件的表面进行喷涂哑光漆处理。先在试件表面喷涂一层白色哑光漆作为底色铺垫，待白漆干后再喷洒黑漆，使其在白色衬底上形成均匀分布的黑色斑点，要求斑点大小适中，从而制备出黑白相间的散斑。
②分别将试件放在万能试验机上进行加载，CCD相机取照。
③用Vic-2D软件分析获取一组位移应变值或者获取断裂参数裂纹尖端张开位移(COD)值。利用数字图像相关技术，对CCD相机采集所得的图 片信息进行计算处理，将图片信息通过算法转化为试件表面应变场信息。
④计算出试件的COD，并进行试件之间的比较。
如下图6所示，经过修复试件表面微小裂纹尖端之后，在不同载荷下的COD值会出现相应的减小，表明修复之后试件的断裂性能有了明显的提高。
第二步：观察试件裂纹尖端修复层截面的微观组织。
①将试件沿着裂纹的方向进行线切割，将试样线切割成40mm×10mm×5mm大小金相试样
②将试件裂纹尖端处修复的截面进行打磨、抛光
③用新配置的王水对裂纹尖端处的截面进行腐蚀
④用扫描电镜(SEM)对腐蚀过截面的显微组织进行观察
经过观察试件的截面微观组织，可以得到不锈钢表面微小裂纹尖端经过修复后，基体与预置在裂纹尖端的复合粉末呈现冶金结合，结合区无裂纹、气孔等缺陷；裂纹尖端修复层的晶粒得到细化，组织的致密性得到显著地提高。

Claims (5)

1.一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：打磨待修复的不锈钢表面微小裂纹尖端，用清洗剂清洗后，烘干，保证待修复的不锈钢表面平整、整洁；
第二步：复合粉末与无水乙醇调和后，均匀预置在待修复的不锈钢表面微小裂纹尖端处，将复合粉末压实，保证不锈钢表面平整、孔隙率低；用自制的“凹”字型工具去除多余的复合粉末；所述的复合粉末与基体材料成分相近、热膨胀系数相近、熔点相近、润湿性相近，性能优于被修复材料，复合粉末厚度为0.8-1.2mm，包括50-80nm的WC颗粒和50-100μm的不锈钢粉末；所述的不锈钢表面微小裂纹尖端处预置复合粉末的面积为50-150mm2，预置的复合粉末重量为1-3g；
第三步：用激光束对待修复的不锈钢表面微小裂纹尖端处进行快速熔凝，复合粉末和不锈钢基体紧密结合在一起，完成不锈钢表面微小裂纹尖端的修复工作；激光工艺参数为：激光功率1.5-2kW，光斑直径3-6mm，激光时间0.8-1.2s，离焦量10-20mm；
第四步：去除修复后残留在不锈钢表面微小裂纹尖端处的多余粉末，对修复的区域进行去毛刺处理后，不锈钢表面洁净光滑；
第五步：检测修复后不锈钢基体的断裂性能，观察修复层截面的微观组织。
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，其特征在于，第二步中所述的1g复合粉末中加入1-3mL无水乙醇。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，其特征在于，所述的不锈钢为奥氏体不锈钢。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹 尖端的方法，其特征在于，所述的清洗剂为无水乙醇或丙酮。
5.根据权利要求3所述的一种利用纳米颗粒修复不锈钢表面微小裂纹尖端的方法，其特征在于，所述的清洗剂为无水乙醇或丙酮。
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