CN110257825A

CN110257825A - 一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法

Info

Publication number: CN110257825A
Application number: CN201910650734.7A
Authority: CN
Inventors: 巢昺轩; 郭楠; 周训伟; 应俊龙; 李智勇; 熊曦耀; 应少军
Original assignee: Jiangxi Changhe Aviation Industries Co Ltd
Current assignee: Jiangxi Changhe Aviation Industries Co Ltd
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2019-09-20

Abstract

本发明属于激光增材修复技术领域，涉及一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法。当前对损伤的工件通常采用焊接工艺方法进行修复，存在工艺过程难以控制、修复后尺寸精度不合格、性能难以满足后续使用的要求。本发明提供一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法，不锈钢粉末采用沉淀硬化不锈钢，借助激光增材制造设备，适用于缺陷深度不大于5mm的工件损伤后的快速修复。各项力学性能指标、外观尺寸、内部组织均优于常规焊接工艺，并且工件的表面抗腐蚀性得到提升，可满足工件继续使用的要求，寿命延长约50％。

Description

一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法

技术领域

本发明属于激光增材修复技术领域，涉及一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法。

背景技术

工业制造领域的工件大量使用了30CrMnSiA结构钢，但在加工制造、使用过程中表面极容易损伤、腐蚀等，导致提前失效、缩短了工件的使用寿命。当前对损伤的工件通常采用焊接工艺方法进行修复，存在工艺过程难以控制、修复后尺寸精度不合格、性能难以满足后续使用的要求，造成修复效果不理想，对于尺寸大于100mm的30CrMnSiA结构钢工件更加明显，无有效的增材修复工艺方案，工件只能报废补制，带来巨大经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法，不锈钢粉末采用沉淀硬化不锈钢，借助激光增材制造设备，适用于缺陷深度不大于5mm的工件损伤后的快速修复。

本发明采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法，适用于缺陷深度不大于5mm的工件，所述不锈钢粉末采用沉淀硬化不锈钢粉末，该方法首先对工装和工件进行表面处理；然后对工件进行预热；之后通过激光增材的方式对工件表面的缺陷进行修复，此时若存在缺陷则重新修复，否则对工件进行热处理消除修复应力；接着对修复区进行表面打磨或机械加工清理去除余量；最后对修复区再次进行检查，若存在缺陷则重新修复，否则合格。

所述沉淀硬化不锈钢粉末的牌号包括：17-4PH、17-7PH、15-5PH，由等离子旋转电极法制取。

所述沉淀硬化不锈钢粉末为球形，化学成分满足GB/T1220、粒径在50～105μm的不锈钢粉末质量百分比≥98％、流动性≥35s/50g、球形度大于95％、出现裂纹凹陷等内部缺陷的比例不大于5％。

修复前需对不锈钢粉末进行烘干，烘干温度：60℃～150℃、保温时间：30min～120min。

对工装和工件进行表面处理后，工装表面不可有污染物，工件的待修复区修整平整并被清洗干净。

预热时采用整体或局部预热修复，加热方式为电阻加热，预热温度：650～700℃、保温时间：按有效缺陷最长尺寸计算，1min/mm，预热完成后15min内进行激光修复，超时需重新进行预热。

修复时的工艺参数：激光功率3600W、离焦量15±3mm、扫描速度600mm/min、送粉量1.2r/min、光斑直径2-3mm、保护气流量8～10L/min、搭接率30％～50％。

修复时首先吹送不锈钢粉末、同轴吹不低于99.99％纯度的氩气进行保护，10秒后开启激光器进行修复，修复后应满足保留至少1mm的加工余量，激光关闭后，氩气保护应延迟至少10秒关闭。

如对修复区氧化变色有要求时，可在修复路径上距离激光光斑5～8mm使用不低于99.95％纯度的氮气对修复冷却区域进行二次保护，气流量8～10L/min。

完成修复后10min内进行着色渗透探伤检测。

完成修复后2h内对工件进行热处理，根据情况采用：按HB/Z136进行重新淬、回火处理；或者放入加热炉进行去应力退火处理，温度350～500℃、保温时间1～2h；对修复区进行感应加热去应力退火处理，温度350～500℃、保温时间1～2h。

对修复区再次进行检查时，首先对修复区进行目视检查，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复；若通过目视检查，进行无损检测，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复。

有益效果：采用氩气气氛保护，可防止受热区域氧化变色，避免了残留物及氧化物杂质的引入；采用激光作为加热源，确保加热熔化过程的低应力、高效率、一致性良好，能够完全消除结合面的气孔、夹杂等缺陷；采用数控同步送粉，修复区厚度一致、均匀性优异；采用沉淀硬化不锈钢粉末(牌号包括：17-4PH、17-7PH、15-5PH)，可以在30CrMnSiA基材完全熔化、形成冶金结合，提高表面抗腐蚀性；修复区域进行去应力退火或淬、回火处理，金相组织、力学性能和疲劳性能最优异；最终对表面进行打磨抛光、机械加工，无损检测合格、修复件外形尺寸满足精度要求。

可对损伤工件进行快速修复，各项力学性能指标、外观尺寸、内部组织均优于常规焊接工艺，并且工件的表面抗腐蚀性得到提升，可满足工件继续使用的要求，寿命延长约50％。

具体实施方式

本发明采用沉淀硬化不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法，采用沉淀硬化不锈钢粉末(牌号包括：17-4PH、17-7PH、15-5PH)，适用于缺陷深度不大于5mm的工件。修复时，该方法包括以下具体步骤：

第一步：检查与评估工件的损伤区域，通常缺陷主要包括裂纹、磨损、腐蚀及加工超差等，对缺陷的类型、数量、尺寸和位置进行记录；

第二步：对工装表面进行处理，特别是靠近修复区域20-50mm范围内，要求工装表面不可有油污、锈斑、易熔金属等影响修复质量或过程的污染物；

第三步：将工件待修复的损伤区域及附近基材(有效距离不小于3mm)清理干净，采取机械打磨或加工的方式。目的是将损伤区域处理平整(如遇曲面应预加工易于激光修复的坡口，坡口要求与基材圆滑过渡，斜坡角不应大于60°、斜坡与底部平面的过渡半径不小于0.5mm)，直至露出均匀的金属光泽为止，如：异形工件进行表面打磨加工、筒杆类工件进行表面车削、平板类工件进行打磨铣削；

第四步：采用无水乙醇或丙酮清洗工件待修复区，用白布或塑料布盖好、晾干，防止污染，并且在运输、修复、装配时严禁用手触碰待修复区，修复区域应在清洗完成10h内进行激光增材修复，否则需重新进行表面清洗；

第五步：采用工装将工件固定在工作台上；

第六步：优先选用等离子旋转电极法制取的沉淀硬化不锈钢粉末(牌号包括：17-4PH、17-7PH、15-5PH)，为球形，技术要求如下：外观呈均匀银灰色(无肉眼可见杂质、结团等)、化学成分满足GB/T1220、粒径在50～105μm的不锈钢粉末质量百分比≥98％、流动性≥35s/50g、球形度大于95％、出现裂纹凹陷等内部缺陷的比例不大于5％；

第七步：对不锈钢粉末进行烘干，烘干温度：60℃～150℃、保温时间：30min～120min，随后将粉末倒入清理干净的送粉管道；

第八步：预热

采用整体或局部预热修复，加热方式为电阻加热，预热温度：650～700℃、保温时间：按有效缺陷最长尺寸计算，1min/mm，预热完成后15min内进行激光修复，超时需重新进行预热；

第九步：对安装有激光熔覆头的机械臂进行数控编程或示教编程，规划出合理的修复轨迹、并模拟，验证修复轨迹是否正确，应确保修复过程连续稳定；

第十步：设定增材修复工艺参数：激光功率3600W、离焦量15±3mm、扫描速度600mm/min、送粉量1.2r/min、光斑直径2-3mm、保护气流量8～10L/min、搭接率30％～50％；

第十一步：运行程序进行修复：首先吹送不锈钢粉末、同轴吹不低于99.99％纯度的氩气进行保护，10秒后开启激光器(激光器可采用光纤、碟片和半导体激光器等，功率输出要求为：10％～100％，实际输出功率不稳定性不大于2％)对待修复区进行激光修复，如对修复区氧化变色有特殊要求时，可在修复路径上距离激光光斑5～8mm使用不低于99.95％纯度的氮气对修复冷却区域进行二次保护，气流量8～10L/min；修复后应满足保留至少1mm的加工余量，以满足后续加工打磨要求。激光关闭后，氩气保护应延迟至少10秒关闭。

第十二步：完成修复后10min内进行着色渗透探伤检测，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复(同一修复区的返修次数不允许超过2次)，直至无缺陷，随后进行后处理；

第十三步：完成修复后2h内对工件进行热处理，目的是消除修复应力，当工件尺寸较小易于搬运、表面质量、外形尺寸要求不高时，可按HB/Z136进行重新淬、回火处理；当工件尺寸较小易于搬运、表面质量和外形尺寸要求很高时，放入加热炉进行去应力退火处理，温度350～500℃、保温时间1～2h；当工件尺寸较大不易于搬运，可对修复区进行感应加热去应力退火处理，温度350～500℃、保温时间1～2h；

第十四步：对工件的修复区域进行表面打磨或机械加工清理，去除余量，使修复区与工件表面圆滑过渡，满足工件尺寸精度要求；

第十五步：对工件的修复区域进行目视检查(必要时可借助5-10倍放大镜)，表面颜色一般为银白色或浅黄色，不允许存在目视可见的夹杂、裂纹、气孔和未熔合等缺陷，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复(同一修复区的返修次数不允许超过2次)，直至无缺陷；

第十六步：对工件的修复区域进行无损检测，包括：荧光、磁粉、X射线和超声波(如涉及关重部位的修复，进行工业CT检测)，其中荧光、磁粉检测应无微观裂纹等缺陷，X射线、超声波、工业CT检测应无气孔、夹杂等缺陷，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复(同一修复区的返修次数不允许超过2次)，直至无缺陷；

第十七步：工件完成修复、交检合格后，应对修复区进行表面防护处理，做好修复记录并存档，内容包括：缺陷类型、数量、尺寸、位置、修复工艺参数、修复次数、检验结论等。

在上述第十一步中，修复过程可连续进行，同一待修复区域连续激光修复次数不应超过3次，间隔时间应至少控制在：30秒或基体温度降低至700℃，取两者较大值；

在上述第十一步中，分多段进行修复时，每段修复程序结束后，应进行清理和检查：清理修复区域及其周围的氧化物、残渣、残粉等；对修复区进行目视检查(必要时可借助5-10倍放大镜)，应无目视可见的裂纹、变形、未熔合等缺陷，如发现缺陷，立即停止修复，排除缺陷后再重新进行增材修复(同一修复区的返修次数不允许超过2次)。

Claims

1.一种采用不锈钢粉末对30CrMnSiA基材增材修复方法，适用于缺陷深度不大于5mm的工件，其特征在于：所述不锈钢粉末采用沉淀硬化不锈钢粉末，该方法首先对工装和工件进行表面处理；然后对工件进行预热；之后通过激光增材的方式对工件表面的缺陷进行修复，此时若存在缺陷则重新修复，否则对工件进行热处理消除修复应力；接着对修复区进行表面打磨或机械加工清理去除余量；最后对修复区再次进行检查，若存在缺陷则重新修复，否则合格。

2.根据权利要求1所述的增材修复方法，其特征在于：所述沉淀硬化不锈钢粉末的牌号包括：17-4PH、17-7PH、15-5PH，由等离子旋转电极法制取。

3.根据权利要求1或2所述的增材修复方法，其特征在于：所述沉淀硬化不锈钢粉末为球形，化学成分满足GB/T1220、粒径在50～105μm的不锈钢粉末质量百分比≥98％、流动性≥35s/50g、球形度大于95％、出现裂纹凹陷等内部缺陷的比例不大于5％。

4.根据权利要求3所述的增材修复方法，其特征在于：修复前需对不锈钢粉末进行烘干，烘干温度：60℃～150℃、保温时间：30min～120min。

5.根据权利要求4所述的增材修复方法，其特征在于：预热时采用整体或局部预热修复，加热方式为电阻加热，预热温度：650～700℃、保温时间：按有效缺陷最长尺寸计算，1min/mm，预热完成后15min内进行激光修复，超时需重新进行预热。

6.根据权利要求5所述的增材修复方法，其特征在于：修复时的工艺参数：激光功率3600W、离焦量15±3mm、扫描速度600mm/min、送粉量1.2r/min、光斑直径2-3mm、保护气流量8～10L/min、搭接率30％～50％。

7.根据权利要求5所述的增材修复方法，其特征在于：修复时首先吹送不锈钢粉末、同轴吹不低于99.99％纯度的氩气进行保护，10秒后开启激光器进行修复，修复后应满足保留至少1mm的加工余量，激光关闭后，氩气保护应延迟至少10秒关闭。

8.根据权利要求7所述的增材修复方法，其特征在于：如对修复区氧化变色有要求时，可在修复路径上距离激光光斑5～8mm使用不低于99.95％纯度的氮气对修复冷却区域进行二次保护，气流量8～10L/min。

9.根据权利要求7所述的增材修复方法，其特征在于：完成修复后2h内对工件进行热处理，根据情况采用：按HB/Z136进行重新淬、回火处理；或者放入加热炉进行去应力退火处理，温度350～500℃、保温时间1～2h；对修复区进行感应加热去应力退火处理，温度350～500℃、保温时间1～2h。

10.根据权利要求9所述的增材修复方法，其特征在于：对修复区再次进行检查时，首先对修复区进行目视检查，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复；若通过目视检查，进行无损检测，如发现缺陷，排除缺陷后再重新进行增材修复。