CN111593342A - 激光熔覆修复tc4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末与工艺方法 - Google Patents

激光熔覆修复tc4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末与工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末与工艺方法，属于激光加工技术领域，所述粉末在TC4钛合金的基础上改变V、Al、Fe含量，其中，V为8％‑10％，Al含量为2.4％‑3.2％，Fe含量为1.8％‑2％，同时控制氧氮氢含量，其中，O质量比不超过0.13％，H质量比不大于0.015％，N质量比不大于0.05％；本发明使用激光熔覆技术，熔覆层与基体有良好的冶金结合，组织致密、无裂纹、夹杂缺陷；熔覆层硬度可达382HV，超过母材显微硬度15％，表明其微动磨损性能也较为优异，修复后室温抗拉强度达到713MPa，与母材强度接近，表面修复后零件可满足服役要求。

Description

激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末与工艺方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末与工艺方法，属于激光加工技术领域，主要用于钛合金鸭翼转轴摇臂的维修。
背景技术
飞机钛合金鸭翼转轴梁由锻件鸭翼、鸭翼转轴、摇臂、螺栓及辅件组成。鸭式飞机在大迎角飞行时，鸭翼部件需经历前缘涡流，在降落时鸭翼做为减速板经历气流振动，长期服役后其转轴与摇臂、摇臂与螺栓配合面会出现微动磨损腐蚀情况。产生磨损后，鸭翼正负偏转角度控制精度降低，对飞机的抬头力矩和升力控制产生影响。鸭翼转轴表面缺陷区域深度约0.5mm，尺寸为5mm*10mm，缺陷轮廓无规则，分布无规律。摇臂上的螺栓孔直径约16.00mm，摇臂内径为120.00mm，外直径为134.00mm，螺栓孔恢复应直径到15mm。
现有针对飞机TC4钛合金构件的缺陷修复，多采用与基材成分相同的TC4粉末，修复成形后硬度同TC4基体接近，耐磨性也没有相应改善，同时在修复过程中易出现氧化现象。而本发明针对TC4材料及激光熔覆修复的工艺特点，开发了新的熔覆粉末材料，熔覆后组织致密无缺陷，显微硬度提升，表明其更耐磨损，提高了零件的寿命。
发明内容
本发明设计提供了一种激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末与工艺方法，目的是修复飞机鸭翼转轴摇臂的磨损缺陷。
本发明技术方案的具体内容是：
激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：在TC4钛合金的基础上改变V、Al、Fe含量，其中，V为8％-10％，Al含量为2.4％-3.2％，Fe含量为1.8％-2％，同时控制氧氮氢含量，其中，O质量比不超过0.13％，H质量比不大于0.015％，N质量比不大于0.05％。
所述粉末规格为53μm-106μm。
所述粉末粒径分布要求如表1：
表1高强度钛合金粉末粒度
Figure BDA0002533211310000011
Figure BDA0002533211310000021
。
所述粉末球形度不低于0.8。
所述粉末的流动性优于35s/50g。
所述粉末中的非金属杂质不多于5颗/100g，粉末外观呈银灰色，不允许存在淡黄、深黄、金紫、深蓝氧化色颗粒，不允许存在异物和结团现象。
激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的工艺方法，其特征在于，
1)、损伤处表面处理，露出金属光泽；针对有磨损和变形的螺栓孔壁进行扩孔切削加工，针对转轴去除缺陷区域的腐蚀层与氧化膜，随后抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
2)、零件装夹固定；使用工装夹具夹持待修零件，确保待修部位激光熔覆的修复可达性；
3)、激光熔覆；采用上述的Ti合金粉末作为原材料，同轴激光熔覆方法恢复转轴和摇臂螺栓孔的尺寸；
4)修复后机加工；依据图纸要求，切削加工恢复转轴和摇臂螺栓孔尺寸，并进行磨抛至光滑平整；
5)无损检测；依据图纸要求，进行尺寸检验，外观检验，要求表面无裂纹缺陷；采用荧光探伤方法，对激光熔覆区进行检查，要求无裂纹、未熔合缺陷。
所述步骤3)激光熔覆的工艺参数为：激光功率600～800W，扫描速率8～15mm/s，送粉量3-8g/min，He送粉气流量为3-5L/min，Ar保护气流量13-17L/min，相邻熔覆道搭接率为40％-50％，激光熔覆的单层厚度控制在0.1～0.3mm之间，采用多层熔覆完成，每层熔覆完成静置一段时间再开始下一层熔覆，以防止钛合金表面氧化。
所述步骤1)转轴腐蚀层与氧化膜使用电动打磨枪去除。
所述步骤1)抛光打磨表面采用钢丝轮。
本发明有益效果：本发明使用激光熔覆技术，设计制备抗腐蚀，耐磨性好，高强度的钛合金粉末，在TC4试板上进行了激光熔覆试验，并对熔覆试样微观组织、硬度、室温力学性能进行了检测。结果表明：熔覆层与基体有良好的冶金结合，组织致密、无裂纹、夹杂缺陷；熔覆层硬度可达382HV，超过母材显微硬度15％，表明其微动磨损性能也较为优异，修复后室温抗拉强度达到713MPa，与母材强度接近，表面修复后零件可满足服役要求。
附图说明
图1鸭翼转轴结构示意图
图2摇臂螺栓孔壁结构示意图
图3高强度钛合金熔覆层示意图
具体实施方式
以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述：
根据待修复鸭翼转轴摇臂的功能特性与材料成分，分析磨损情况及缺陷位置，选择合理的熔覆材料，通过以上分析，实施以下具体步骤：
(1)研制高强度钛合金激光熔覆粉末材料。设计适用激光熔覆的钛合金粉末成分，在TC4钛合金的基础上降低了Al含量、降低了V含量，增加了Fe合金元素，同时对氧氮氢含量进行了严格控制，其中O质量比不超过0.13％，H质量比不大于0.015％，N质量比不大于0.05％，该材料比强度高、抗应力腐蚀能力优于TC4、硬度高，微动磨损性能优于TC4。粉末规格要求为53μm-106μm，粉末粒径分布要求如表1，粉末球形度不低于0.8，粉末的流动性时间不高于35s/50g，粉末中的非金属杂质应该不多于5颗/100g，粉末外观呈银灰色，不允许存在淡黄、深黄、金紫、深蓝等氧化色颗粒，不允许存在异物和结团现象。
(2)损伤处表面处理。针对有磨损和变形的螺栓孔壁进行扩孔切削加工，针对转轴使用电动打磨枪去除缺陷区域的腐蚀层与氧化膜，随后钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗，露出金属光泽。
(3)零件装夹固定。使用工装夹具夹持待修零件，确保待修部位激光熔覆的修复可达性。
(4)激光熔覆。采用激光熔覆方法恢复摇臂转轴与螺栓孔的尺寸。激光熔覆的工艺参数为：激光功率600～800W，扫描速率8～15mm/s，，送粉量3-8g/min，He送粉气流量为4L/min，Ar保护气流量15L/min，相邻熔覆道搭接率为50％，激光熔覆的单层厚度控制在0.2mm，采用多层熔覆完成，每层熔覆完成静置一段时间再开始下一层熔覆，以防止钛合金表面氧化。
(5)修复后机加工。依据图纸要求，切削加工恢复转轴和螺栓孔尺寸，并进行磨抛等表面处理，确保修复区光滑平整。
(6)无损检测。依据图纸要求，进行尺寸检验，外观检验，要求表面无裂纹缺陷。采用荧光探伤方法，对激光熔覆区进行检查，要求无裂纹未熔合等缺陷。
具体实例一
采用激光熔覆修复飞机鸭翼转轴摇臂面磨损缺陷。
1)、鸭翼转轴摇臂螺栓孔结构与表面缺陷情况确认。飞机鸭翼转轴由锻造+机加工而成，材料为TC4钛合金，该构件如图1、图2所示，飞机飞行到一个翻修周期后，鸭翼转轴表面缺陷区域深度约0.5mm，尺寸为5mm*10mm，缺陷轮廓无规则，分布无规律；摇臂上的螺栓孔直径约16.00mm，摇臂内径为120.00mm，外直径为134.00mm，螺栓孔修复后机加工到直径15mm。
2)、研制高强度钛合金激光熔覆粉末材料。设计适用TC4钛合金激光熔覆的钛合金粉末成分，在TC4钛合金的基础上降低了Al含量为3％、降低了V含量为3％，增加了Fe为2％元素，同时对氧氮氢含量进行了严格控制，其中O质量比不超过0.13％，H质量比不大于0.015％，N质量比不大于0.05％。该材料比强度高、抗应力腐蚀能力优于TC4、硬度高，微动磨损性能优于TC4。使用中频感应熔炼炉制备钛合金锭料，随后采用气雾化法制备粉末，粉末规格要求为53μm-106μm，粉末粒径分布要求如表1，粉末球形度不低于0.8，粉末的流动性时间不高于35s/50g，粉末中的非金属杂质应该不多于5颗/100g，粉末外观呈银灰色，不允许存在淡黄、深黄、金紫、深蓝等氧化色颗粒，不允许存在异物和结团现象。
3)、损伤处表面处理。针对有磨损和变形的螺栓孔壁进行扩孔切削加工，将孔径扩至16.5mm，应保证磨损缺陷已被切削去除。针对转轴使用电动打磨枪去除缺陷区域的腐蚀层与氧化膜，边缘处留有1mm倒角，随后钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗，露出金属光泽。
4)、零件装夹固定。使用工装夹具夹持待修零件，确保待修部位激光熔覆的修复可达性。在激光熔覆头上配备气氛保护罩，保护罩为柔性材料，允许激光头熔覆移动扫描，在修复转轴螺栓孔时，可将其他未修复的螺栓孔封住，并在修复前同保护气氛，使得待修复区处在保护气中。
5)、激光熔覆。采用激光熔覆方法恢复摇臂转轴与螺栓孔的尺寸。激光熔覆的工艺参数为：激光功率600±50W，扫描速率1mm/s，送粉量6g/min，He送粉气流量为4L/min，Ar保护气流量15L/min，相邻熔覆道搭接率为50％，激光熔覆的单层厚度控制在0.2mm，采用多层熔覆完成，每层熔覆完成静置一段时间再开始下一层熔覆，以防止钛合金表面氧化。
6)、修复后机加工。依据图纸要求，切削加工恢复转轴和螺栓孔尺寸，并进行磨抛等表面处理，确保修复区光滑平整。
7)、无损检测。依据图纸要求，进行尺寸检验，外观检验，要求表面无裂纹缺陷。采用荧光探伤方法，对激光熔覆区进行检查，要求无裂纹未熔合等缺陷。
本发明研制了适用于TC4钛合金飞机构件的激光修复粉末，使用该粉末的修复区强度与显微硬度均高于母材基体。采用本发明技术方案修复的鸭翼转轴及摇臂，修复区表面光整无裂纹，无明显氧化，微观组织致密无未熔合缺陷，如图3所示。

Claims (10)

1.激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：在TC4钛合金的基础上改变V、Al、Fe含量，其中，V为8％-10％，Al含量为2.4％-3.2％，Fe含量为1.8％-2％，同时控制氧氮氢含量，其中，O质量比不超过0.13％，H质量比不大于0.015％，N质量比不大于0.05％。
2.如权利要求1所述的激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：所述粉末规格为53μm-106μm。
3.如权利要求1所述的激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：所述粉末粒径分布要求如表1：
表1高强度钛合金粉末粒度
Figure FDA0002533211300000011
4.如权利要求1所述的激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：所述粉末球形度不低于0.8。
5.如权利要求1所述的激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：所述粉末的流动性优于35s/50g。
6.如权利要求1所述的激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的粉末，其特征在于：所述粉末中的非金属杂质不多于5颗/100g，粉末外观呈银灰色，不允许存在淡黄、深黄、金紫、深蓝氧化色颗粒，不允许存在异物和结团现象。
7.激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的工艺方法，其特征在于，
1)、损伤处表面处理，露出金属光泽；针对有磨损和变形的螺栓孔壁进行扩孔切削加工，针对转轴去除缺陷区域的腐蚀层与氧化膜，随后抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
2)、零件装夹固定；使用工装夹具夹持待修零件，确保待修部位激光熔覆的修复可达性；
3)、激光熔覆；采用如权利要求1-6所述的Ti合金粉末作为原材料，同轴激光熔覆方法恢复转轴和摇臂螺栓孔的尺寸；
4)修复后机加工；依据图纸要求，切削加工恢复转轴和摇臂螺栓孔尺寸，并进行磨抛至光滑平整；
5)无损检测；依据图纸要求，进行尺寸检验，外观检验，要求表面无裂纹缺陷；采用荧光探伤方法，对激光熔覆区进行检查，要求无裂纹、未熔合缺陷。
8.激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的工艺方法，其特征在于，所述步骤3)激光熔覆的工艺参数为：激光功率600～800W，扫描速率8～15mm/s，送粉量3-8g/min，He送粉气流量为3-5L/min，Ar保护气流量13-17L/min，相邻熔覆道搭接率为40％-50％，激光熔覆的单层厚度控制在0.1～0.3mm之间，采用多层熔覆完成，每层熔覆完成静置一段时间再开始下一层熔覆，以防止钛合金表面氧化。
9.激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的工艺方法，其特征在于，所述步骤1)转轴腐蚀层与氧化膜使用电动打磨枪去除。
10.激光熔覆修复TC4转轴及摇臂磨损缺陷的工艺方法，其特征在于，所述步骤1)抛光打磨表面采用钢丝轮。
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