CN111005020B - 避免液化裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种避免液化裂纹的方法，包括以下步骤：获取母材，并对母材进行热处理；对热处理后的母材进行表面处理；对表面处理后的母材进行表面冲击，以在母材表面形成预设厚度的冷塑性变形层；将表面冲击后的母材放置在惰性气体下，对冷塑性变形层进行无预热热加工，以形成再结晶层阻碍液化裂纹生成。该方法操作简单，适用范围广，无需高温预热即可避免液化裂纹生成。
Description
技术领域
本发明涉及焊接和熔覆技术领域，特别涉及一种避免热加工工程中液化裂纹的方法。
背景技术
焊接、熔覆等热加工方式在优化零件生产工艺、修复零件表面缺陷以及复杂结构件的3D打印等方面具有非常重要的工程意义和经济价值。
二元及以上元素组成的金属材料在凝固过程中发生的成分偏析是不可避免的，成分偏析导致材料晶界熔点低于晶内熔点，是材料在焊接、熔覆等过程中易产生液化裂纹的冶金因素。元素的种类越多，扩散系数越大，液化倾向就越严重。
镍基高温合金(简称镍基合金)以其优良的高温性能、抗氧化以及耐腐蚀性能，是制造航空发动机、燃气轮机热端部件不可缺少的材料。该合金在激光熔覆、焊接或激光立体成形(3D打印)过程中，极易在热影响区产生液化裂纹。液化裂纹的产生一方面和成分及冶金过程相关；Ti、Al元素是镍基合金主要强化相γ’相组成元素，随着Ti、Al含量的增加，镍基合金的高温稳定性能增加，使用温度提升；高的Ti、Al含量加剧了凝固过程中的成分偏析，扩大了合金的固液凝固区间，一些有益加入的元素也易导致低熔点相出现。另一方面和热加工过程中产生的拘束应力有关；当进行在焊接或熔覆时，冷却过程中熔池凝固收缩受到周围固体的拘束作用，而产生内应力使得液化的液膜在完全凝固前，被拉开，从而形成液化裂纹。
对于上述现象，目前解决方案主要采用高温预热的方式，来减小焊接或熔覆过程中的应力水平，达到避免液化裂纹的目的。Goodwater等人采用感应加热的方式解决了钴基/镍基合金焊接过程中的液化裂纹问题，预热温度在760℃到1150℃之间。李秋歌等在对镍基合金K465进行激光熔覆时，发现当预热温度达到800℃时，液化裂纹才能被避免。
预热方式包括整体加热和局部加热。整体加热一般是将整个结构件置于井式高温炉中，结构件越大，需要的井式炉越大，能源消耗越多；局部加热增加了结构件的内应力，易导致结构件的变形。同时预热温度高，而低温的载粉气流对待熔覆区具有明显的降温作用，必须进一步提高预热温度以消除这种不利影响。高的预热温度对设备有严苛的要求，需对设备进行一定程度的改造，增加冷却结构，设备成本极高。
因此，亟需开发一种在非预热条件下避免热裂倾向较大的金属材料在热加工过程中产生的方法。
发明内容
本发明旨在解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种避免液化裂纹的方法。
为达到上述目的，本发明提出了避免液化裂纹的方法，包括以下步骤：获取母材，并对所述母材进行热处理；对热处理后的母材进行表面处理；对表面处理后的母材进行表面冲击，以在母材表面形成预设厚度的冷塑性变形层；将表面冲击后的母材放置在惰性气体下，对所述冷塑性变形层进行无预热热加工，以形成再结晶层阻碍液化裂纹生成。
本发明实施例的避免液化裂纹的方法，通过利用激光熔覆修复液化裂纹，操作简单，适用范围广，在激光熔覆过程中无需高温预热即可阻碍液化裂纹的产生。
另外，根据本发明上述实施例的避免液化裂纹的方法还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述热处理属于固溶热处理，其中，所述热处理的选择由所述母材的类型和状态决定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述表面处理包括采用铣床、磨床或砂纸等方式对所述热处理后的母材表面打磨，和/或采用超声对所述热处理后的母材表面清洗。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述表面冲击采用机械冲击或激光冲击等方式，使母材表面形成所述冷塑性变形层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在所述无预热激光熔覆前，将所述表面冲击后的母材再次进行超声清洗，以消除表面杂质。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在进行所述无预热激光熔覆时，需将所述表面冲击后的母材底部放置冷水基板，以将熔覆过程产生的热量消除。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的避免液化裂纹的方法流程图；
图2为根据本发明实施例的避免液化裂纹的方法具体执行流程图；
图3为根据本发明实施例的冲击对组织影响的效果图，其中，(a)表示无冲击处理组织情况，(b)表示冲击处理组织情况。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的避免液化裂纹的方法。
图1是本发明一个实施例的避免液化裂纹的方法流程图。
本发明实施例的避免液化裂纹的原理为：基于材料的静态再结晶过程，在激光熔覆前通过在母材表面先预置一层冷塑性变形层，使其内部积累大量的位错，在激光熔覆时位错开动，使原来的母材组织转变成细小的等轴晶组织，一方面促进易液化的γ’析出相在较低温度下固溶，另一方面使应力分布更加分散，减少应力集中，避免液化裂纹的出现。本发明实施例共通过三步来达到消除液化裂纹的目的。
需要说明的是，本发明实施例采用热裂倾向严重的不可焊镍基合金作为研究对象，针对激光熔覆或激光立体成形过程中出现的液化裂纹。
如图1所示，该避免液化裂纹的方法包括以下步骤：
在步骤S101中，获取母材，并对母材进行热处理。
在本发明的一个实施例中，热处理属于一种固溶热处理，在合适的热处理工艺下能有效降低材料的热裂倾向性，热处理工艺的选择由母材的类型和状态决定，对于热裂倾向特别大的金属，例如不可焊镍基高温合金，一般都要进行预热处理，热裂倾向较小的母材可以不通过热处理而直接进行下面的步骤即可避免液化裂纹。
具体而言，母材状态决定了材料的热裂倾向性，热裂倾向性大的材料需要更大的冲击变形才能形成足够厚的再结晶层。例如，一般铸态的母材成分偏析最严重，热裂倾向最大，采用固溶热处理的工艺，可以提高母材成分的均匀性，减小甚至消除低熔点相，降低液化裂纹的倾向性。而对于热裂倾向性小的材料，可以不进行热处理工艺，仅对其表面清洗或打磨，即可进行冲击处理。
也就是说，是否进行母材热处理以及母材热处理工艺的选择和母材类型及状态有密切的关系，本领域技术人员根据实际情况选择是否进行热处理，在此不做具体限定。
在步骤S102中，对热处理后的母材进行表面处理。
进一步地，在本发明的一个实施例中，表面处理包括采用铣床、磨床或砂纸等方式对热处理后的母材表面打磨，和/或采用超声对热处理后的母材表面清洗。其中，打磨工具和清洗工具可根据选取材料的成分和表面情况决定，在此不做具体限定。
具体而言，母材表面处理是为避免由于母材表面的不平整导致冲击后的母材表面不平整而影响激光熔覆的效果，对于不平整的表面一般采用铣床、磨床或砂纸等对母材表面进行打磨，对于平整的表面或是打磨后平整的表面可以直接进行超声清洗，以除去表面油污等杂质。同样地，该步骤也为非必要环节，本领域技术人员可根据实际情况进行选择，在此不做具体限定。
在步骤S103中，对表面处理后的母材进行表面冲击，以在母材表面形成预设厚度的冷塑性变形层。
进一步地，在本发明的一个实施例中，表面冲击采用机械冲击或激光冲击等方式，使母材表面形成所述冷塑性变形层。同样的，表面冲击方式可根据实际情况进行选择，在此不做具体限定。
具体而言，热处理后的母材将晶界液化降低到预设程度后，对母材表面的杂质进行处理，然后采用机械冲击(如喷丸等)或激光冲击等方式对表面处理后的母材表面进行冲击处理，使得母材表面形成达到预设厚度及预设变形程度的冷塑性变形层。
在步骤S104中，将表面冲击后的母材放置在惰性气体下，对冷塑性变形层进行无预热热加工，以形成再结晶层阻碍液化裂纹生成。其中，无预热热加工可以为激光熔覆或是激光立体成形等方式，本领域技术人员可根据实际情况选择不同的加工方式，在此不做具体限定。
进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：在无预热激光熔覆前，将表面冲击后的母材再次进行超声清洗，以消除表面杂质。
具体而言，母材表面状态对激光熔覆过程具有重要的影响，为避免激光熔覆过程中表面的杂质元素进入熔池而影响熔覆层性能，需要对母材表面再次进行清洗，一般选择超声清洗的方式。
另外，本发明实施例在进行无预热激光熔覆时，需将表面冲击后的母材底部放置冷水基板，以将熔覆过程产生的热量消除。
具体而言，将冲击后的母材表面，放置在合适的惰性气体保护气氛及冷却条件下，直接进行无预热激光熔覆。熔覆过程中未融化的冷塑性变形层受热发生再结晶，生成结晶层阻碍液化裂纹出现及扩展，从而实现非预热、无液化裂纹激光熔覆。
如图2-3所示，下面以铸态的镍基合金为例对本发明实施例作进一步的说明。
第一步，母材热处理。母材热处理的工艺和母材类型、状态有关系。对于铸态的镍基合金，热处理温度需略高于γ’相固溶温度10℃左右，时间为4小时以上。
第二步，母材表面处理。对于表面不平整的母材，采用铣床或磨床将试样表面打磨平整，对于结构复杂的零件表面也可以用砂轮进行打磨。对于表面平整的母材或者打磨过的母材，将其置于丙酮溶液中，超声处理5min以除去油污等杂质。
第三步，母材表面冲击。选择冲击方式，冲击压力和时间等参数，对打磨平整的零件表面进行冲击处理，生成预设效果的冷塑性变形层后，停止冲击。
第四步，母材表面清洗。针对冲击后的母材，将其置于丙酮溶液中，超声处理5min以除去油污等杂质。
第五步，激光熔覆。实验在高纯氩气的环境中进行，熔覆母材表面，使得冷塑性变形层内生成结晶层，其中，试样底部放置水冷基板，以将熔覆过程产生的热量带走。
综上，液化裂纹是制约高热裂倾向材料进行激光熔覆修复和激光立体成形等过程应用的关键问题。例如，高Ti、Al镍基合金多用于制造飞行器发动机及燃气轮机关键热端部件的材料。制造过程中，涡轮盘等热端部件结构复杂、浇注工艺特殊，表面极易出现砂孔等缺陷；使用过程中，发动机内部温度高、流速大，涡轮盘等表面极易出现各种形式的裂纹等损伤，对其进行修复具有重要的国防意义、工程价值和经济价值。同时，为了制造结构更加复杂的涡轮盘等热端部件，在原基体上采用激光立体成形的技术获得复杂结构的叶片等部件成为了研究的热点。
使用本发明实施例的方法对高Ti、Al镍基合金进行激光熔覆修复或激光立体成形主要优点有：1)在激光熔覆过程中无需高温预热；2)本发明实施例的方法操作简单，适用范围广；3)在现有技术中，机械冲击和激光冲击等表面强化技术已经用于涡轮盘甚至是空心叶片的表面强化，采用本发明实施例的方法不会给涡轮盘等热端部件带来额外问题；4)该方法采用的热处理工艺和铸态镍基合金为消除内部的缩孔缩松缺陷而采用的热等静压工艺相同，不会影响热端部件的使用性能。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种避免液化裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取母材，并对所述母材进行热处理；
对热处理后的母材进行表面处理；
对表面处理后的母材进行表面冲击，以在母材表面形成预设厚度的冷塑性变形层；以及
将表面冲击后的母材放置在惰性气体下，对所述冷塑性变形层进行无预热热加工，以形成再结晶层阻碍液化裂纹生成。
2.根据权利要求1中所述的避免液化裂纹的方法，其特征在于，所述热处理为一种固溶热处理，其中，所述热处理的选择由所述母材的类型和状态决定。
3.根据权利要求1中所述的避免液化裂纹的方法，其特征在于，所述表面处理包括采用铣床、磨床或砂纸方式对所述热处理后的母材表面打磨，和/或采用超声清洗方式对所述热处理后的母材表面清洗。
4.根据权利要求1中所述的避免液化裂纹的方法，其特征在于，所述表面冲击采用机械冲击方式或激光冲击方式，使母材表面形成所述冷塑性变形层。
5.根据权利要求1中所述的避免液化裂纹的方法，其特征在于，还包括：在所述无预热热加工前，将所述表面冲击后的母材再次进行超声清洗，以消除表面杂质。
6.根据权利要求1中所述的避免液化裂纹的方法，其特征在于，还包括：在进行所述无预热热加工时，需将所述表面冲击后的母材底部放置冷水基板，以将熔覆过程产生的热量消除。
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