CN109483146B - 一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法 - Google Patents

一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于增材修复技术领域，涉及一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法。本发明采用在电子束熔丝修复全过程中均为真空环境的条件，真空压强为10‑2P～10‑3Pa之间，能够有效避免修复过程中N、O、H等有害元素的污染。激光熔覆修复和弧焊修复方法难以避免N、O、H等有害元素的污染，特别是高温状态下以上有害元素可强烈导致钛铝金属间化合物的脆化开裂使得修复失败。本方法的真空环境中修复材料冶金质量优于其它修复方法，能够有效避免修复缺陷的产生，此外，真空环境下热量散失速度慢，修复后冷却速度慢，热应力小，大大降低了裂纹产生的风险。修复后随炉真空退火处理能及时去除修复应力并调控修复区组织，能够有效避免修复后的铸件产生延迟裂纹。

Description

一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法
技术领域
本发明属于增材修复技术领域，涉及一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法。
背景技术
TiAl金属间化合物具有低密度、高模量和优异的高温强度、抗蠕变、抗氧化和阻燃性能而被公认为最具有发展潜力的高温结构材料。然而由于TiAl金属间化合物熔体粘度高、补缩能力不足，塑性低，使其铸件极易产生凹坑、缩孔、疏松、裂纹等缺陷，并成为其工程化应用的瓶颈之一。为提高铸件合格率、降低生产成本需突破缺陷的修复技术。
TiAl金属间化合物本身滑移系较少、位错运动和增殖困难，室温塑性低及变形能力差等特点造成该合金铸件修复时极易产生裂纹。目前公开报道的修复方法有钎焊、激光熔敷和氩弧焊方法。钎焊修复后高温力学性能较差。激光熔敷修复气氛保护条件差，使得修复过程中增氧严重，材料脆化，易形成裂纹。氩弧焊方法除气氛保护条件差外，高温预热后的零件造成修复操作难度大，易产生裂纹。
目前已公开的钛铝金属间化合物电子束焊接的方法为无填充材料或仅在待焊接面使用过渡层材料，目的均为将两个构件焊接连接为一个整体，无法用于铸件缺陷的修复。
发明内容
本发明的目的是针对铸件缺陷进行修复的一种基于电子束熔丝沉积增材制造的钛铝金属间化合物铸件缺陷修复方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
包括以下步骤：
(1)采用机械方法对钛铝金属间化合物铸件缺陷进行修形，缺陷包括铸态或铸造+热等静压处理后存在的表面凹坑、缩孔、疏松、裂纹缺陷；
(2)修复缺陷用的填充材料的成分与铸件材料一致的丝材或丝条或成分配比在原位反应后与铸件材料成分配比相当的钛基和铝基丝材或根据铸件的使用与铸件材料相适应的钛基合金丝材；
(3)将修形缺陷后的铸件安装于电子束熔丝沉积增材设备的加热装置内，采用丙酮或酒精清理待修复区，将丝材/丝条穿过送丝机及导丝嘴，依据待修复区形状尺寸调整送丝角度，关闭真空室，依次启动滑阀泵、罗茨泵和扩散泵，待真空室内压强达到5×10-2Pa以下时，启动加热装置，将铸件预热至800～1200℃，并在修复过程中持续保温；
(4)依据待修复区形状尺寸设定电子束熔丝沉积增材修复工艺参数，工艺参数为：加速电压30～60KV、聚焦电流700～900mA、电子束束流15～40mA、电子束扫描幅值3～6mm、送丝速度10～50mm/s；
(5)待缺陷部位修复完成后，随炉退火处理，退火温度为600℃-1200℃，保温1～3h，待铸件温度降至200℃以下时向真空室内充气并取出；
(6)采用机械或化学方法将修复部位加工至设计尺寸。
所述缺陷修形后的待修复区底面为圆弧状，待修复区坡口角度为60°～120°。
所述的丝材/丝条直径0.6mm～1.6mm之间，使用前丝材经过真空退火处理。
所述的铸件修复过程中保持800～1200℃，铸件重量小于3公斤的铸件在修复过程中加热装置不停止加热，铸件重量大于3公斤的铸件在修复过程中加热装置可以关闭加热，待温度低于800℃后再行开启加热。
所述的导丝嘴末端距待修复区距离为10～30mm，导丝嘴内孔直径为0.8～3.0mm，导丝嘴内孔直径较丝材直径大0.4～1.0mm。
所述的铸件缺陷修形后深度及直径小于5mm的凹坑缺陷时，数控轴不移动仅采用电子束扫描摆动熔化丝材的形式修复；凹坑缺陷直径小于5～8mm时，采用数控轴不移动和间断送丝的方式填充待修复区；当缺陷尺寸大于8mm时，数控轴移动的同时电子束扫描摆动熔化丝材填充待修复区。
所述的待缺陷部位修复完成后，随炉退火处理，退火温度为800℃-1200℃，保温1～3h。待铸件温度降至200℃以下时向真空室内充气并取出。
本发明的修复方法具有以下优点：
电子束熔丝修复全过程均为真空环境，真空压强为10-2P～10-3Pa之间，能够有效避免修复过程中N、O、H等有害元素的污染。激光熔覆修复和弧焊修复方法难以避免N、O、H等有害元素的污染，特别是高温状态下以上有害元素可强烈导致钛铝金属间化合物的脆化开裂使得修复失败。本方法的真空环境中修复材料冶金质量优于其它修复方法，能够有效避免修复缺陷的产生，此外，真空环境下热量散失速度慢，修复后冷却速度慢，热应力小，大大降低了裂纹产生的风险。修复后随炉真空退火处理能及时去除修复应力并调控修复区组织，能够有效避免修复后的铸件产生延迟裂纹。
附图说明
图1所示为电子束熔丝沉积增材修复钛铝金属间化合物铸件缺陷示意图。
图2钛铝金属间化合物涡流器铸件。
图3电子束熔丝沉积修复后的涡流器铸件。
图中标号说明：1-电子束；2-导丝嘴；3-丝材/丝条；4-钛铝金属间化合物铸件；5-待修复区
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步详述：
该方法的步骤是：
采用机械方法去除钛铝金属间化合物铸件缺陷，该缺陷包括铸态或铸造+热等静压处理后存在的表面凹坑、缩孔、疏松、裂纹等缺陷。去除缺陷后的待修复区底面应为圆弧状或平底面，待修复区坡口角度为60°～120°；
凹坑缺陷通过扩大凹坑面修形，位于内部的缩孔和疏松缺陷需自表面去除材料至缺陷处，将缺陷面扩大并修形为底面为圆弧状或平底面状，修形后待修复区坡口角度为60°～120°，平底面与坡口面圆弧过渡，疏松缺陷依据缺陷形状修形为圆锥形或长方锥形等规则形状，裂纹缺陷需沿裂纹扩展方向将裂纹面加工为坡口面，坡口角度为60°～120°；
修复缺陷用的填充材料的成分与铸件材料一致的丝材或丝条或成分配比在原位反应后与铸件材料成分配比相当的钛基和铝基丝材或根据铸件的使用与铸件材料相适应的钛基合金丝材以适应铸件的使用性能，如纯钛、钛合金、Ti3Al、Ti2AlNb丝材。丝材/丝条直径0.6mm～1.6mm之间，使用前丝材需经过真空退火处理，退火温度600-800℃。
将排除缺陷后的铸件安装于电子束熔丝沉积增材设备的加热装置内，采用丙酮或酒精清理待修复区。将丝材/丝条穿过送丝机及导丝嘴，依据待修复区形状尺寸调整送丝角度至40°～70°。关闭真空室，依次启动滑阀泵、罗茨泵和扩散泵，待真空室内压强达到5×10-2Pa以下时，启动加热装置，将铸件预热至600～1200℃；
依据待修复区形状尺寸设定电子束熔丝沉积增材修复工艺参数，工艺参数为：加速电压30～60KV、聚焦电流700～900mA、电子束束流15～40mA、电子束扫描幅值3～6mm、送丝速度10～50mm/s；
待缺陷部位修复完成后，随炉退火处理，退火温度为800℃-1200℃，保温1～3h。待铸件温度降至200℃以下时向真空室内充气并取出；
采用机械或化学方法将修复部位加工至设计尺寸。
所述的与钛铝金属间化合物铸件一致的丝材/丝条制备方法为：通过线切割圆棒状丝条机械打磨表面去除氧化层后采用电阻焊接方法将段状丝条连接成具有一定长度的丝材。此丝材可以全部是钛铝金属间化合物，也可以是端部为钛铝金属间化合物而无需填充的部位为纯钛或钛合金。
所述导丝嘴末端距待修复区距离为10～30mm，导丝嘴内孔直径为0.8～3.0mm，导丝嘴内孔直径较丝材直径大0.4～1.0mm。
所述电子束熔丝沉积增材修复的缺陷为点缺陷或深度及直径小于5mm的凹坑或缩孔缺陷时，数控轴不移动仅采用电子束扫描摆动熔化丝材的形式修复；凹坑或缩孔缺陷直径小于5～8mm且直径深度比小于0.5时，采用数控轴不移动和间断送丝的方式填充待修复区；当缺陷尺寸大于8mm时，数控轴移动的同时电子束扫描摆动熔化丝材填充待修复区。
实施例1
图2所示为钛铝金属间化合物(Ti-48Al-2Cr-2Nb)涡流器铸件，该铸件经热等静压后内部疏松等缺陷的闭合导致表面凹坑缺陷，凹坑缺陷尺寸3mm，深度2mm。
采用电子束熔丝沉积修复方法修复该铸件。具体步骤为：
采用机械方法将涡流器凹坑缺陷表面打磨并露出金属光泽，打磨后待修复区尺寸为上表面直径5mm，深度2.5mm，底面圆弧过渡；
采用同成分、直径1.0mm的Ti-48Al-2Cr-2Nb丝条作为填充材料。将该丝条与直径1.0mm的TA0纯钛丝，通过电阻焊方式连接为完整的丝材，仅Ti-48Al-2Cr-2Nb丝条部分用于修复需要。丝材使用前经700℃/2h真空退火处理；
将排除缺陷后的涡流器铸件安装于电子束熔丝沉积增材设备的加热装置内，采用丙酮清理待修复区，去除油污。将丝材穿过送丝机及导丝嘴，送丝角度为60°，导丝嘴距待修复区15mm。关闭真空室，依次启动滑阀泵、罗茨泵和扩散泵，待真空室内压强达到5×10-2Pa以下时，启动加热装置，将铸件预热至850℃保温1h；
依据待修复区形状尺寸设定电子束熔丝沉积增材修复工艺参数，工艺参数为：加速电压60KV、聚焦电流800mA、电子束束流15mA、电子束扫描幅值6mm、送丝速度20mm/s。数控轴不移动仅采用电子束扫描摆动熔化丝材的形式填充待修复区，丝材送进与暂停时间均为0.5s。
待缺陷部位修复完成后，随炉退火处理，退火温度为1000℃，保温2h。待铸件温度降至200℃以下时向真空室内充气并取出；经X射线及荧光检验后修复区不存在裂纹及未熔合缺陷，如图3所示。
采用机械打磨方法将修复部位恢复至设计尺寸。

Claims (7)

1.一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用机械方法对钛铝金属间化合物铸件缺陷进行修形，缺陷包括铸态或铸造+热等静压处理后存在的表面凹坑、缩孔、疏松、裂纹缺陷；
(2)修复缺陷用的填充材料的成分与铸件材料一致的丝材或丝条或成分配比在原位反应后与铸件材料成分配比相当的钛基和铝基丝材或根据铸件的使用与铸件材料相适应的钛基合金丝材；
(3)将修形缺陷后的铸件安装于电子束熔丝沉积增材设备的加热装置内，采用丙酮或酒精清理待修复区，将丝材/丝条穿过送丝机及导丝嘴，依据待修复区形状尺寸调整送丝角度，关闭真空室，依次启动滑阀泵、罗茨泵和扩散泵，待真空室内压强达到5×10-2Pa以下时，启动加热装置，将铸件预热至800～1200℃，并在修复过程中持续保温；
(4)依据待修复区形状尺寸设定电子束熔丝沉积增材修复工艺参数，工艺参数为：加速电压30～60KV、聚焦电流700～900mA、电子束束流15～40mA、电子束扫描幅值3～6mm、送丝速度10～50mm/s；
(5)待缺陷部位修复完成后，随炉退火处理，退火温度为600℃-1200℃，保温1～3h，待铸件温度降至200℃以下时向真空室内充气并取出；
(6)采用机械或化学方法将修复部位加工至设计尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法,其特征在于，所述缺陷修形后的待修复区底面为圆弧状，待修复区坡口角度为60°～120°。
3.根据权利要求1所述的一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法,其特征在于，所述的丝材/丝条直径0.6mm～1.6mm之间，使用前丝材经过真空退火处理。
4.根据权利要求1所述的一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法,其特征在于，所述的铸件修复过程中保持800～1200℃，铸件重量小于3公斤的铸件在修复过程中加热装置不停止加热，铸件重量大于3公斤的铸件在修复过程中加热装置可以关闭加热，待温度低于800℃后再行开启加热。
5.根据权利要求1所述的一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法,其特征在于，所述的导丝嘴末端距待修复区距离为10～30mm，导丝嘴内孔直径为0.8～3.0mm，导丝嘴内孔直径较丝材直径大0.4～1.0mm。
6.根据权利要求1所述的一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法,其特征在于，所述的铸件缺陷修形后深度及直径小于5mm的凹坑缺陷时，数控轴不移动仅采用电子束扫描摆动熔化丝材的形式修复；凹坑缺陷直径为5～8mm时，采用数控轴不移动和间断送丝的方式填充待修复区；当缺陷尺寸大于8mm时，数控轴移动的同时电子束扫描摆动熔化丝材填充待修复区。
7.根据权利要求1所述的一种修复钛铝金属间化合物铸件缺陷的方法,其特征在于，所述的待缺陷部位修复完成后，随炉退火处理，退火温度为800℃-1200℃，保温1～3h，待铸件温度降至200℃以下时向真空室内充气并取出。
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