CN110923523A - 一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法 - Google Patents

一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其包括，配制激光增材修复用粉末；真空熔炼、雾化制粉、干燥；利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据；干式切削切除受损部分；激光送粉修复受损部分。本发明中激光修复专用7系铝合金粉末配方，使激光修复零件无裂纹、力学性能高，本发明中激光修复专用7系铝合金粉末配方，使得修复的零件部分性能与原始铝合金基体性能相近，强度均匀，结合部位强度高。本发明添加的各种元素协同作用，形成了大量孪晶相和长程有序结构相，解决了传统激光修复铝合金材料熔覆组织裂纹多、性能差的难题。

Description

一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材 修复方法
技术领域
本发明属于金属结构零件修复技术领域，具体涉及一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法。
背景技术
7系铝合金为Al-Zn-Mg系铝，早在20世纪40年代末期就已经开始应用于飞机制造业，至今仍在航空工业上得到广泛应用。而随着航空航天技术的发展，速度和运载能力的提升对其结构零件有着更为严格的要求，其工作环境也更加恶劣。加之其制备工艺通常为传统的铸造工艺与手动抛光，效率低下，表面质量并不均匀，从而导致了零件在服役过程中易产生磨损，导致事故发生可能性的上升。因此，高效率的零件修复工作在航空领域有着尤为重要的意义。
在目前研究中，有关铝合金修复的文献较少，铝合金修复途径单一。对于市面上铝合金的结构零件，一经磨损，就将面临淘汰。7系铝合金结构零件在航空等领域被大量使用，这样的处理方式浪费了大量的材料，导致了成本的提高，因此必须寻求一种高效率，低成本的修复方式。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
作为本发明其中一个方面，本发明提供一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其包括，
配制激光增材修复用粉末：以质量百分比计，为Zn：5～10wt％、Mg：2.5wt％、Mn：1.2～4.8wt％、Ti：0.1～1.0wt％、Si：0.8～2.3wt％、Zr：0.85～2.6wt％、Ce：0.1～1.3wt％、Er：0.1～1.2wt％、0.5～4％FeMnCr中熵粒子，其余为Al；
真空熔炼、雾化制粉、干燥；
利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据；
干式切削切除受损部分；
激光送粉修复受损部分。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述真空熔炼，其熔炼温度为500～600℃，熔炼炉内气压为0.5～0.6MPa。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述雾化制粉，气雾化压力为7～8.5MPa。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述雾化制粉，其值得的粉末平均粒径150～180μm。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述干燥，70～90℃下干燥2～8h。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述干式切削切除受损部分，包括切削后打磨去除氧化膜，并用丙酮清洗清洗晾干。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述激光送粉修复受损部分，包括通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
作为本发明所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法的一种优选方案：所述激光送粉修复受损部分，其激光能量为600～1200W，喷头移动速率为500～800mm/min，喷头与表面距离为15～20mm，送粉速率为1205.76～2110.08mm3/min，送粉气体流量为5～10L/min。
本发明的有益效果：本发明中激光修复专用7系铝合金粉末配方，使激光修复零件(送粉增材制造)无裂纹、力学性能高，本发明中激光修复专用7系铝合金粉末配方，使得修复的零件部分性能与原始铝合金基体性能相近，强度均匀，结合部位强度高。本发明添加的各种元素协同作用，形成了大量孪晶相和长程有序结构相，解决了传统激光修复铝合金材料熔覆组织裂纹多、性能差的难题。其中，Al-Mg2Si共晶起到补缩消除裂纹作用；并形成Mg2Si强化相，提高合金的力学性能和抗蚀性能，Al3(Zr,Er)相能够有有效阻止再结晶，各元素的协同配合能够细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化，还可降低熔体表面张力，增加流动性，FeMnCr中熵粒子与铝基体形成耐热固溶体，有效提高打印件的高温稳定性，在200℃时还能保持300MPa以上的拉伸性能，并阻碍其位错运动，致使材料室温性能提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为实施例1～6的激光修复用7系铝合金粉末的金相图。
图2为实施例1～3的激光修复用7系铝合金粉末经腐蚀后的金相图。
图3为实施例1～3的激光修复用7系铝合金粉末抛光截面金相放大图。
图4为实施例1～6的激光修复用7系铝合金粉末的修复组织金相图。
图5为实施例1～6的激光修复用7系铝合金粉末中所用FeMnCr中熵粒子XRD图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1：
对7075铝合金零件进行修复，该零件尺寸为350mm×250mm×250mm，受损部分尺寸为30mm×30mm×50mm，受损前该零件的拉伸强度为337MPa，延伸率为6.7％。
步骤1、根据修复材料，修复零件所用粉末成分为：Al-5.5Zn-2.5Mg-1.2Mn-0.1Ti-1Si-0.85Zr-0.2Ce-1.1Er-0.5FeMnCr(各元素质量百分比wt％)。其制备方法为：真空熔炼：熔炼温度500℃，熔炼炉内气压为0.7MPa。然后采用氩气为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为8MPa。制备出的粉末为球形，筛选出粒径在150-180μm的粉末作为原料。于真空干燥箱中，90℃下对过筛后粉末进行4小时干燥处理。
步骤2、利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据。
步骤3、确定受损边界，采用干式切削方式切除30mm×30mm×50mm受损部分，得到规则表面。通过打磨去除表面氧化层，并用丙酮清洗晾干。
步骤4、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
步骤5、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描能量为800W，喷头移动速度600mm/min。
步骤6、设置粉末输送参数。调整喷头，使粉末喷出后交汇于零件表面，即喷头于表面距离为17mm，送粉速率为1205.76mm3/min，送粉气体流量为5L/min。
步骤7、根据设置程序启动仪器，进行零件修复，直至程序运行结束，零件修复完成。
修复后结果表明，零件修复部分与零件基体部分结合良好，激光修复部位铝合金的拉伸强度355MPa，延伸率12％。
实施例2：
对7055铝合金零件进行修复，该零件尺寸为350mm×250mm×250mm，受损部分尺寸为30mm×30mm×50mm，受损前该零件的拉伸强度为368MPa，延伸率为8.1％。
步骤1、根据修复材料，修复零件所用粉末成分为：Al-5.5Zn-2.5Mg-1.2Mn-0.1Ti-0.8Si-1Zr-0.2Ce-1.1Er-1.5FeMnCr(各元素质量百分比wt％)。其制备方法为：真空熔炼：熔炼温度500℃，熔炼炉内气压为0.7MPa。然后采用氩气为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为8MPa。制备出的粉末为球形，筛选出粒径在150-180μm的粉末作为原料。于真空干燥箱中，90℃下对过筛后粉末进行4小时干燥处理。
步骤2、利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据。
步骤3、确定受损边界，采用干式切削方式切除30mm×30mm×50mm受损部分，得到规则表面。通过打磨去除表面氧化层，并用丙酮清洗晾干。
步骤4、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
步骤5、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描能量为700W，喷头移动速度700mm/min。
步骤6、设置粉末输送参数。调整喷头，使粉末喷出后交汇于零件表面，即喷头于表面距离为17mm，送粉速率为1205.76mm3/min，送粉气体流量为5L/min。
步骤7、根据设置程序启动仪器，进行零件修复，直至程序运行结束，零件修复完成。激光修复部位铝合金的拉伸强度达到380MPa，延伸率11％。
实施例3：
对7050铝合金零件进行修复，该零件尺寸为350mm×250mm×250mm，受损部分尺寸为30mm×30mm×50mm，受损前该零件的拉伸强度为407MPa，延伸率为7.2％。
步骤1、根据修复材料，修复零件所用粉末成分为：Al-6Zn-2.5Mg-2.1Mn-0.2Ti-0.8Si-1Zr-0.2Ce-1.1Er-2FeMnCr(各元素质量百分比wt％)。其制备方法为：真空熔炼：熔炼温度500℃，熔炼炉内气压为0.7MPa。然后采用氩气为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为8MPa。制备出的粉末为球形，筛选出粒径在150-180μm的粉末作为原料。于真空干燥箱中，90℃下对过筛后粉末进行4小时干燥处理。
步骤2、利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据。
步骤3、确定受损边界，采用干式切削方式切除30mm×30mm×50mm受损部分，得到规则表面。通过打磨去除表面氧化层，并用丙酮清洗晾干。
步骤4、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
步骤5、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描能量为600W，喷头移动速度700mm/min。
步骤6、设置粉末输送参数。调整喷头，使粉末喷出后交汇于零件表面，即喷头于表面距离为17mm，送粉速率为1205.76mm3/min，送粉气体流量为5L/min。
步骤7、根据设置程序启动仪器，进行零件修复，直至程序运行结束，零件修复完成。激光修复部位铝合金的拉伸强度410MPa，延伸率8％。
实施例4：
对7N01铝合金零件进行修复，该零件尺寸为350mm×250mm×250mm，受损部分尺寸为30mm×30mm×50mm，受损前该零件的拉伸强度为347MPa，延伸率为8.7％。
步骤1、根据修复材料，修复零件所用粉末成分为：Al-5.7Zn-2.5Mg-1.4Mn-0.2Ti-0.8Si-1Zr-0.2Ce-1.1Er-1FeMnCr(各元素质量百分比wt％)。其制备方法为：真空熔炼：熔炼温度500℃，熔炼炉内气压为0.7MPa。然后采用氩气为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为8MPa。制备出的粉末为球形，筛选出粒径在150-180μm的粉末作为原料。于真空干燥箱中，90℃下对过筛后粉末进行4小时干燥处理。
步骤2、利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据。
步骤3、确定受损边界，采用干式切削方式切除30mm×30mm×50mm受损部分，得到规则表面。通过打磨去除表面氧化层，并用丙酮清洗晾干。
步骤4、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
步骤5、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描能量为800W，喷头移动速度700mm/min。
步骤6、设置粉末输送参数。调整喷头，使粉末喷出后交汇于零件表面，即喷头于表面距离为17mm，送粉速率为1205.76mm3/min，送粉气体流量为5L/min。
步骤7、根据设置程序启动仪器，进行零件修复，直至程序运行结束，零件修复完成。激光修复部位铝合金的拉伸强度达到360MPa，延伸率15％。
实施例5：
对7005铝合金零件进行修复，该零件尺寸为350mm×250mm×250mm，受损部分尺寸为30mm×30mm×50mm，受损前该零件的拉伸强度为362MPa，延伸率为6.7％。
步骤1、根据修复材料，修复零件所用粉末成分为：Al-6Zn-2.5Mg-1.4Mn-0.2Ti-0.8Si-1Zr-0.2Ce-1.1Er-1.5FeMnCr(各元素质量百分比wt％)。其制备方法为：真空熔炼：熔炼温度500℃，熔炼炉内气压为0.7MPa。然后采用氩气为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为8MPa。制备出的粉末为球形，筛选出粒径在150-180μm的粉末作为原料。于真空干燥箱中，90℃下对过筛后粉末进行4小时干燥处理。
步骤2、利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据。
步骤3、确定受损边界，采用干式切削方式切除30mm×30mm×50mm受损部分，得到规则表面。通过打磨去除表面氧化层，并用丙酮清洗晾干。
步骤4、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
步骤5、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描能量为600W，喷头移动速度650mm/min。
步骤6、设置粉末输送参数。调整喷头，使粉末喷出后交汇于零件表面，即喷头于表面距离为17mm，送粉速率为1205.76mm3/min，送粉气体流量为5L/min。
步骤7、根据设置程序启动仪器，进行零件修复，直至程序运行结束，零件修复完成。激光修复部位铝合金的拉伸强度达到373MPa，延伸率11％。
实施例6：
对7A04铝合金零件进行修复，该零件尺寸为350mm×250mm×250mm，受损部分尺寸为30mm×30mm×50mm，受损前该零件的拉伸强度为387MPa，延伸率为9.2％。
步骤1、根据修复材料，修复零件所用粉末成分为：Al-6.5Zn-2.5Mg-1.2Mn-0.1Ti-0.8Si-1Zr-0.2Ce-1.1Er-2FeMnCr(各元素质量百分比wt％)。其制备方法为：真空熔炼：熔炼温度500℃，熔炼炉内气压为0.7MPa。然后采用氩气为介质对金属熔滴进行雾化，雾化压力为8MPa。制备出的粉末为球形，筛选出粒径在150-180μm的粉末作为原料。于真空干燥箱中，90℃下对过筛后粉末进行4小时干燥处理。
步骤2、利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据。
步骤3、确定受损边界，采用干式切削方式切除30mm×30mm×50mm受损部分，得到规则表面。通过打磨去除表面氧化层，并用丙酮清洗晾干。
步骤4、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
步骤5、根据零件需要通过数控机床编程方式设置激光扫描能量为600W，喷头移动速度700mm/min。
步骤6、设置粉末输送参数。调整喷头，使粉末喷出后交汇于零件表面，即喷头于表面距离为17mm，送粉速率为1205.76mm3/min，送粉气体流量为5L/min。
步骤7、根据设置程序启动仪器，进行零件修复，直至程序运行结束，零件修复完成。激光修复部位铝合金的拉伸强度达到395MPa，延伸率11％。
对比例1：
将实施例1中Er的含量调整为0.7，其余制备参数与实施例1相同。零件修复完成后，激光修复部位铝合金的拉伸强度为287MPa，延伸率为7.1％。
对比例2：
将实施例1中不加入FeMnCr，其余制备参数与实施例1相同。零件修复完成后，激光修复部位铝合金的拉伸强度为298MPa，延伸率为7.8％。
对比例3：
将实施例1中步骤5的打印参数替换为激光扫描能量900W，喷头移动速度600mm/min，其余制备参数与实施例1相同。零件修复完成后，激光修复部位铝合金的拉伸强度为323MPa，延伸率为11％。
本发明针对不同类型的7系铝合金工件设计了相应的修复粉末配方，形成大量孪晶相和长程有序结构相，从而极大提高激光修复零件的力学性能和塑性，本发明中激光修复部位的铝合金拉伸性能和延伸率能与零件基体本身尽量一致。
本发明中激光修复专用7系铝合金粉末配方，使激光修复零件(送粉增材制造)无裂纹、力学性能高，本发明中激光修复专用7系铝合金粉末配方，使得修复的零件部分性能与原始铝合金基体性能相近，强度均匀，结合部位强度高。本发明添加的各种元素协同作用，形成了大量孪晶相和长程有序结构相，解决了传统激光修复铝合金材料熔覆组织裂纹多、性能差的难题。其中，Al-Mg2Si共晶起到补缩消除裂纹作用；并形成Mg2Si强化相，提高合金的力学性能和抗蚀性能，Al3(Zr,Er)相能够有有效阻止再结晶，各元素的协同配合能够细化晶粒，减少二次晶间距，减少合金中的气体和夹杂，并使夹杂相趋于球化，还可降低熔体表面张力，增加流动性。FeMnCr中熵粒子的加入，能够有效阻碍其位错运动，致使材料性能提高。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：包括，
配制激光增材修复用粉末：以质量百分比计，为Zn：5～10wt％、Mg：2.5wt％、Mn：1.2～4.8wt％、Ti：0.1～1.0wt％、Si：0.8～2.3wt％、Zr：0.85～2.6wt％、Ce：0.1～1.3wt％、Er：0.1～1.2wt％、0.5～4％FeMnCr中熵粒子，其余为Al；
真空熔炼、雾化制粉、干燥；
利用三维扫描技术，通过对比受损零件和完整零件数据，获取修复部分的三维数据；
干式切削切除受损部分；
激光送粉修复受损部分。
2.如权利要求1所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述真空熔炼，其熔炼温度为500～600℃，熔炼炉内气压为0.5～0.6MPa。
3.如权利要求1或2所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述雾化制粉，气雾化压力为7～8.5MPa。
4.如权利要求1或2所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述雾化制粉，其值得的粉末平均粒径150～180μm。
5.如权利要求1或2所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述干燥，70～90℃下干燥2～8h。
6.如权利要求1或2所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述干式切削切除受损部分，包括切削后打磨去除氧化膜，并用丙酮清洗清洗晾干。
7.如权利要求1或2所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述激光送粉修复受损部分，包括通过数控机床编程方式设置激光扫描路径为垂直扫描，激光间距为1mm。
8.如权利要求7所述的同轴送粉激光增材修复专用7系铝合金配方及激光增材修复方法，其特征在于：所述激光送粉修复受损部分，其激光能量为600～1200W，喷头移动速率为500～800mm/min，喷头与表面距离为15～20mm，送粉速率为1205.76～2110.08mm3/min，送粉气体流量为5～10L/min。
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