CN110548876B

CN110548876B - 一种铺粉式再制造装置及方法

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Publication number: CN110548876B
Application number: CN201910973018.2A
Authority: CN
Inventors: 范树迁; 王林志; 张祺; 刘基权; 马红林; 吴文杰; 杨杰
Original assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Current assignee: Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology of CAS
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2039-10-14
Also published as: CN110548876A

Abstract

本发明公开了一种铺粉式再制造装置及方法，包括以下步骤：1)对待修复零件外形进行减材预处理；2)对待铺粉修复表面进行喷砂处理；3)待修复零件按照给定精度要求装夹于铺粉基台上；4)利用机器视觉方式获取待铺粉修复表面的三维几何轮廓信息；5)根据步骤4获取的信息搜索待修复零件三维模型的初始断面以获取完整的待修复三维模型；6)人工填埋粉末床的初始缝隙直到待铺粉修复初始表面以下部分全部填满；7)对粉末床进行预热并监控待修复层的预热温度；8)在上述工作基础上进行粉末床叠层制造直至完成待修复三维模型。采用此方法修复的零部件具有更高的精度和力学性能，能更有效的应用于激光修复再制造技术。

Description

一种铺粉式再制造装置及方法

技术领域

本发明属于先进制造领域，涉及一种铺粉式再制造装置及方法。

背景技术

近年来，随着我国先进航空发动机及精密机加工制造技术的快速发展，航空发动机涡轮叶片和高精密复杂型线刀具的需求日益迫切。这些涡轮叶片和刀具制造过程复杂、生产周期长、制造成本高，在生产和使用过程中难免出现因冶金缺陷超标、尺寸缺量、零件加工超差、服役损伤而报废，造成巨大的经济损失且严重影响重大装备的研制进度。因此，开发高性能再制造修复技术具有重要的应用价值和战略意义。

目前，国内外主要采用激光熔覆技术进行再制造。即通过与激光同轴或旁轴送入金属粉末或丝材，结合高密度、高能量激光束作为加热源，以CAD三维数字模型为立体成形框架，按照程序预先编写的行走轨迹，将金属粉末或丝材逐道、逐层熔化沉积，经快速熔化冷却后，形成结构复杂、性能优异的金属零件的再制造方法。这种方法对于大型构件的快速修复具有修复效率高、修复工艺柔性程度大等技术优势。但这种方法仍存在以下弊端：(1)所采用的激光功率大(一般为1kW以上)，原材料尺寸大(粉末材料粒径一般为100μm以上，丝材直径0.6mm以上)，导致成形件的尺寸精度和表面精度较差，需要二次机加工才可以满足使用需求。(2)难以实现稳定可控的800℃以上的高温条件，镍基、钛基等材料在激光修复快速熔凝条件下极易产生热裂纹，导致修复失败。(3)机械结构多以龙门式或机械臂式为主，难以实现诸如航空发动机涡轮叶片叶尖和高精密复杂型线刀具刀刃部位磨损等缺陷的精密修复，也难以实现修复再制造过程的自动化和智能化。

发明内容

为了避免现有技术采用激光同轴或旁轴送入金属粉末或丝材进行修复的方法存在的弊端，本发明的目的在于提供一种铺粉式再制造装置及方法。此装置可实现800℃高温条件下的精准控温，从而有效降低温度梯度，解决传统送粉式激光修复工艺导致的变形开裂等问题。该方法易实现灵活的可选区控形控性调控，显著抑制修复层表面波纹和内部缺陷，减少后续加工余量。此外，该方法以高精度定位和数模比对方式，确定待修复位置的区域和尺寸范围等，以铺粉式增材制造过程的切片软件扫描路径规划为牵引，降低待修复位置的应力水平和变形，能够实现损伤零部件的自动定位、数模自动实施比对和自动修复工艺，实现再制造过程的智能化控制。技术方案具体如下：

一种铺粉式再制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对待修复零件外形进行减材预处理；

2)对待铺粉修复表面进行喷砂处理；

3)待修复零件按照给定精度要求装夹于铺粉基台上；

4)利用机器视觉方式获取待铺粉修复表面的三维几何轮廓信息；

5)根据步骤4获取的信息搜索待修复零件三维模型的初始断面以获取完整的待修复三维模型；

6)人工填埋粉末床的初始缝隙直到待铺粉修复初始表面以下部分全部填满；

7)对粉末床进行预热并监控待修复层的预热温度；

8)在上述工作基础上进行粉末床叠层制造直至完成待修复三维模型。

作为优选的技术方案，步骤1)中，采用机加工方式对待修复零件外形进行减材处理，处理后，获得的待铺粉修复表面平面度A₁小于等于待铺粉首层层厚A₀，其与机加工基准面的平行度A₂小于等于待铺粉首层层厚A₀。

作为优选的技术方案，步骤2)中，采用喷砂等表面处理方式对待铺粉修复表面进行预处理后，待铺粉修复表面的表面粗糙度A₃不低于粉末平均粒径B₀的一半且不高于粉末平均粒径B₀。

作为优选的技术方案，步骤3)中，将待修复零件装夹于铺粉基台上时，其装夹基准面与机加工基准面平行度A₄小于等于待铺粉首层层厚A₀；。

作为优选的技术方案，步骤4)中，利用二维或者三维机器视觉方式获取待铺粉修复表面相对于铺粉加工设备坐标系原点的三维几何轮廓信息，工作时，包括各个实体轮廓边缘的笛卡尔坐标，获得的坐标点测量精度A₅不低于粉末平均粒径B₀。

作为优选的技术方案，步骤5)中，确定待修复零件三维模型的初始断面搜索方向时以机加工时选取的基准面垂直方向为准，搜索步长不高于铺粉层厚A₀，搜索到的最优初始断面与所述的实体轮廓边缘拥有最高的平面几何相似度，在确认最优初始断面以后随即确认获得完整的待修复三维模型。

作为优选的技术方案，步骤6)中，在待修复零件周围非实体零件部分提前人工填埋修复用的粉末，一直到填埋粉末高度与待铺粉修复表面齐平，并且满足填埋粉末的致密度不低于粉末的松装密度以保证整个修复过程中粉末床不会出现局部坍塌。

作为优选的技术方案，步骤7)中，在粉末床底部和周围四侧安置加热装置并在粉末床上方安置红外热像探头，实时反馈并控制加热强度将待铺粉修复表面加热至目标工作温度T。

作为优选的技术方案，步骤8)中，制造过程中每一层都要进行层内加工前初始温度监控。

根据如上所述的一种铺粉式再制造方法所修复完成的零部件。

一种铺粉式再制造装置，包括激光扫描系统、铺粉系统、升降系统、氛围系统，所述升降系统包括粉末床以及安装在粉末床下方的用于带动粉末床上下运动的升降缸，升降系统安装在一工作腔体内，所述氛围系统用于维持工作腔体内部中空氛围，所述铺粉系统用于在工作腔体内的粉末床上进行铺粉，激光扫描系统用于发射激光照射至粉末床，对物料进行修复，在其升降系统中的粉末床周围布置有加热器；在其激光扫描系统中的振镜和动态聚焦镜之间设置有分光镜；在分光镜的分光回路上设置有热像仪。

作为优选的技术方案，分光镜(例如二向色分光平面镜)同时实现激光光源工作波段高透射和红外热像探测波段高反射功能，热像仪获取粉末床表面反射回来的红外光信息从而实现对整个表面的温度监视。

有益效果在于：

1、本发明相对于现有技术，通过铺粉式修复方法，并结合尺寸定位和三维模型快速重构，解决了依靠送粉或送丝易导致产品精度差的问题。

2、通过温控系统设计，实现了修复零件的精准控温，有效解决传统激光熔覆导致的变形开裂等瓶颈问题。

附图说明

图1为铺粉式再制造方法流程图；

图2为铺粉式再制造装置设计原理示意图；

图3a为铺粉式再制造装置温控系统设计示意图；

图3b为铺粉式再制造过程示意图；

图4a为铺粉式再制造装置粉末床表面温度分布模拟计算结果(典型案例)；

图4b为铺粉式再制造装置粉末床表面温度分布热像测量结果(典型案例)；

图5a为铺粉式再制造装置工作过程照片(典型案例)；

图5b为铺粉式再制造装置粉末床表面受热呈现高温状态照片(典型案例)；

图6a为典型修复区域的微观组织照片(分辨率10微米)；

图6b为典型修复区域的微观组织照片(分辨率1微米)；

图7为典型修复零件在拉伸时的力学性能测试结果。

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1：

本发明实施例，主要是一种铺粉式再制造方法，请参考图1所示，包括如下步骤：

(1)采用机加工方式对待修复零件外形进行减材处理，获得待铺粉修复表面并使平面度A₁小于等于待铺粉首层层厚A₀，其与机加工基准面的平行度A₂小于等于待铺粉首层层厚A₀；

(2)采用喷砂等表面处理方式对待铺粉修复表面进行预处理，使其表面粗糙度A₃不低于粉末平均粒径B₀的一半(即0.5B₀)，但不高于粉末平均粒径B₀；

(3)将待修复零件装夹于铺粉基台上，其装夹基准面与上述机加工基准面平行度A₄小于等于待铺粉首层层厚A₀；

(4)利用二维(或者三维)机器视觉方式获取待铺粉修复表面相对于铺粉加工设备坐标系原点的三维几何轮廓信息，包括各个实体轮廓边缘的笛卡尔坐标，坐标点测量精度A₅不低于粉末平均粒径B₀；

(5)以机加工时选取的基准面确定待修复零件三维模型的初始断面搜索方向，以不高于铺粉层厚A₀的步长并结合步骤(4)获得的坐标信息搜索最优初始断面位置，进而确定完整的待修复三维模型并沿断面搜索方向完成该模型的逐层切片；

(6)在待修复零件周围非实体零件部分提前人工填埋修复用的粉末，一直到填埋粉末高度与待铺粉修复表面齐平，填埋需要足够的致密度以保证整个修复过程中粉末床不会出现局部坍塌；

(7)在粉末床底部和周围四侧安置加热装置并在粉末床上方安置红外热像探头，实时反馈并控制加热强度将待铺粉修复表面加热至目标工作温度T，随后开启高能束进行选区熔化粉末成形；

在实验过程中，参考图4a和图4b所示的温度场分布模拟及实测图。

(8)单层扫描完成以后，基台下降一个粉末层高度，并重复步骤(7)；

(9)多次重复步骤(8)，修复完成以后，基台上升，去除多余的未熔化的粉末，即为修复后的零件。

修复过程中的实物照片，请参考图5a和图5b所示，图5a显示的是成形室内的整体视角效果，图5b显示的是处于高温状态下的粉末床局部放大视角效果。

最终修复成型的产品的修复区域的微观组织照片请参考图6a、b所示，这两幅图都是指同一个已经完成修复的产品的微观组织显微照片，两幅图的差异只是放大倍率不一样，右图的放大倍率是左图的10倍。从图种可以看出，微观组织细小致密，无明显孔洞和裂纹，具有良好的产品质量。

修复成型的产品的修复区域的力学拉伸性能测试结果请参考图7所示。图7中具有8条曲线，是指经过本发明实施例中的技术修复的同一产品，经过多次的拉伸性能重复性测试，极限抗拉强度可达1000MPa，屈服强度可达800MPa，再结合优化的真空热处理等工艺，在保持优异力学强度的同时，还具有良好的塑性，断后延伸率可达30％。

实施例2：

请参考图2所示，本发明实施例是一种铺粉式再制造的装置，该装置主要包括激光发射系统1、热像仪4、中控系统11、工作腔体13，工作腔体连接一用于将工作腔体抽真空的真空泵12，工作腔体内安装有料斗，料斗通过一送料管往料斗内送料，料斗出料端正对送料板6，送料板6的一侧设置有刮刀7，刮刀7由活塞杆(图中未示出)推动做活塞运动，用于将物料推送至安装在送料板一边的粉末床8，粉末床8安装在一加热器9上方，粉末床8一侧设置有成型腔10。其中，升降系统中的粉末床周围布置有加热器9；激光扫描系统中的振镜3和动态聚焦镜2之间设置有分光镜5；在分光镜的分光回路上设置有热像仪4。其中，激光发射系统主要用于发射激光照射至粉末床，对零件进行修复，包括发射激光束的激光头1，激光通过聚焦系统2后经由振镜3反射，光线再通过工作腔体上设置的可透光的视窗照射粉末床。其中激光头1、动态聚焦镜2分别线接中控系统11，中控系统11用于控制激光头的开关以及发射激光束频率等参数，同时还能够控制动态聚焦镜2实现激光束的对焦和振镜3的扫描动作，以使得激光束按照设计的光路进行工作。

本发明实施例中具有基于热像温度监测系统，请参考图3a所示，图3a中的虚线箭头表示粉末床上表面辐射出的红外光线的传递过程与方向，红外光先后经由振镜3和分光镜5反射后再由红外热像仪的物镜聚焦成像从而实现粉末床表面温度信息传递，进而通过温度数据采集器将该信息传入温度控制器，当采集到的温度高于目标温度时温控器关闭加热继电器停止加热器工作，当采集到的温度低于目标温度时温控器开启加热继电器加热器开始工作，通过上述方式实现了修复零件上表面的精准控温，有效解决传统激光熔覆导致的变形开裂等瓶颈问题。

请参考图3b所示，再制造时，待制造的零件是自下而上进行修复，待制造的零件放置在工作腔体上的灰色基板上，腔体内填充预填充黄色的粉末，待制造的零件被再制造的部分呈红色，未再制造的部分是待修叶片，呈黑色。

采用本发明实施例设计的温控系统温度场分布模拟及实测图请参考图4a和图4b所示。图4a和图4b所要表明的意思是粉末床受控加热升温的温度可以在一定量程范围内自由控制，无论从理论设计还是实际测量的角度该技术要求都能够得以实现。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims

1.一种铺粉式再制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对待修复零件外形进行减材预处理；

2）对待铺粉修复表面进行喷砂处理；

3）待修复零件按照给定精度要求装夹于铺粉基台上；

4）利用机器视觉方式获取待铺粉修复表面的三维几何轮廓信息；

5）根据步骤4）获取的信息搜索待修复零件三维模型的初始断面以获取完整的待修复三维模型；

6）人工填埋粉末床的初始缝隙直到待铺粉修复初始表面以下部分全部填满；

7）对粉末床进行预热并监控待修复层的预热温度；

8）在上述工作基础上进行粉末床叠层制造直至完成待修复三维模型；

步骤1）中，采用机加工方式对待修复零件外形进行减材处理，处理后，获得的待铺粉修复表面平面度A₁小于等于铺粉层厚A₀，其与机加工基准面的平行度A₂小于等于待铺粉层厚A₀；

步骤2）中，采用喷砂表面处理方式对待铺粉修复表面进行预处理后，待铺粉修复表面的表面粗糙度A₃不低于粉末平均粒径B₀的一半且不高于粉末平均粒径B₀；

步骤3）中，将待修复零件装夹于铺粉基台上时，其装夹基准面与机加工基准面平行度A₄小于等于待铺粉层厚A₀；

步骤4）中，利用二维或者三维机器视觉方式获取待铺粉修复表面相对于铺粉加工设备坐标系原点的三维几何轮廓信息，工作时，包括各个实体轮廓边缘的笛卡尔坐标，获得的坐标点测量精度A₅不低于粉末平均粒径B₀。

2.根据权利要求1所述一种铺粉式再制造方法，其特征在于：步骤5）中，确定待修复零件三维模型的初始断面搜索方向时以机加工时选取的基准面垂直方向为准，搜索步长不高于铺粉层厚A₀，搜索到的最优初始断面与所述的实体轮廓边缘拥有最高的平面几何相似度，在确认最优初始断面以后随即确认获得完整的待修复三维模型。

3.根据权利要求1所述一种铺粉式再制造方法，其特征在于：步骤6）中，在待修复零件周围非实体零件部分提前人工填埋修复用的粉末，一直到填埋粉末高度与待铺粉修复表面齐平，并且满足填埋粉末的致密度不低于粉末的松装密度以保证整个修复过程中粉末床不会出现局部坍塌。

4.根据权利要求1所述一种铺粉式再制造方法，其特征在于：步骤7）中，在粉末床底部和周围四侧安置加热装置并在粉末床上方安置红外热像探头，实时反馈并控制加热强度将待铺粉修复表面加热至目标工作温度T。

5.根据权利要求1所述一种铺粉式再制造方法，其特征在于：步骤8）中，制造过程中每一层都要进行层内加工前初始温度监控。