CN113355668A - 一种铝合金零件局部重熔增强的方法 - Google Patents

一种铝合金零件局部重熔增强的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种铝合金零件局部重熔增强的方法，包括以下步骤：a准备粉料，粉料包括两种，一种是预送粉粉料，另一种是添加合金元素的合金粉；b铝合金零件激光重熔，b1将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层；b2采用环形激光束进行激光加热，在环形激光束的中心布置有合金粉管，环形激光束聚焦在重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，合金粉中的合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件。本发明主要是利用激光光内送粉，将合金粉中的增强元素铁铬铜镍等，熔融进重熔区域，以大幅度提高重熔部位的强度，尤其是高温强度。

Description

一种铝合金零件局部重熔增强的方法
技术领域
本发明涉及铝合金零件制造技术领域，具体地说是涉及一种铝合金零件局部重熔增强的方法。
背景技术
目前随新技术的蓬勃发展，对轻量化的需求越来越旺盛。目前轻量化首选铝合金材料，实际应用中代替铸铁、合金钢等材料，但是铝合金最大的弱点是机械性能较差，锻造铝合金常温强度最多可达到高强钢的50％，而铸造铝合金强度更低，最高达到高强钢的20-30％。而高温强度更差，如350度高温强度仅为高强钢的10％左右，而且铝合金常温强度及高温强度都随时间延长而显著降低，因此限制了其应用范围。
以活塞为例，目前有些发动机活塞的头部增加陶瓷复合材料以提高活塞喉口的热疲劳性能，但采用陶瓷复合材料成本较高，质量难于控制，不适合大批量推广应用。目前部分发动机活塞头部采用的重熔技术，是铝基体直接利用氩弧、等离子等热源直接熔化，靠铝基体导热，快速冷却，而得到充分细化的组织，在一定程度上能满足喉口强化的要求。如现有活塞喉口重熔技术、氧化铝陶瓷纤维增强等技术承受的爆发压力可以达到22MPa，但是爆发压力超过22MPa活塞将难以承受。现有活塞喉口重熔本质上是在原有基体上通过细化，使材料的热机性能提高明显，重熔部分材料成分未发生任何改变，没有实现材料成分改性增强的效果，因此其总体影响程度有限。而陶瓷纤维增强活塞内冷通道由于是在高压下有盐芯成型的，盐芯在高压下易于渗入铝液挤变形，从而造成陶瓷纤维增强内冷通道活塞难于制造，因此氧化铝陶瓷纤维增强整体活塞的工业化应用面临诸多挑战，现在历时三、四十年时间始终无法彻底解决。
发明内容
针对上述现有技术中的缺陷，本发明提出了一种铝合金零件局部重熔增强的方法。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种铝合金零件局部重熔增强的方法，包括以下步骤：
a准备粉料
粉料包括两种，一种是预送粉粉料，另一种是添加合金元素的合金粉；
其中，预送粉粉料是由铁粉与石墨粉混合而成，铁粉含量为99.5-99.99％，石墨粉含量为0.01-0.5％，以重量百分数计；
合金粉是铝合金粉与铁粉、石墨粉的混合物，铝合金粉含量为95-98.5％，铁粉含量为1.5-4.7％，石墨粉含量为0.01-0.5％，以重量百分数计；
铝合金粉是由以下重量百分比的原料加工制成：铁10-35％，铬1-7％，铜2-6％，镍0.5-3％，硅1-11％，余量为铝；
b铝合金零件激光重熔
b1将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层；
b2采用环形激光束进行激光加热，在环形激光束的中心布置有合金粉管，环形激光束聚焦在重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，合金粉中的合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件；
c将重熔后零件缓慢降温，待零件冷制常温后进行后续加工处理。
上述预送粉粉料，主要是在激光加热前在铝表面形成一层反光率低的涂层粉；合金粉粉料中的铝合金粉采用以铝铁合金为基本合金，加入铜镍等易形成高温相的合金，其中合金化增强主要元素的铁铬铜镍兼具高温、常温增强作用，而硅除有增强作用之外，还有提高铸造性能的作用。
优选的，所述预送粉粉料的粒度为10-80μm；所述合金粉的粒度为10-200μm。
优选的，所述合金粉的制备过程如下：
按上述重量百分比称取各原料，熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉；再将铝合金粉与铁粉和石墨粉混合得到。
以上铝合金熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉，铝合金粉再混合相近颗粒的铁粉、球形石墨粉减少反光率。
优选的，步骤b1中：预送粉时，在零件正下方施加一定的磁力或电磁力，使粉料黏附于重熔部位。激光加热不会因铝表面反射而损失大部分能量。
上述预送粉粉料采用预送粉管进行输送，预送粉有两种方式，一是在重熔部位局部预送粉，二是在重熔整个区域先预送粉。
优选的，在铝合金零件激光重熔之前，还包括以下步骤：
c铝合金零件经机械加工，使重熔部位粗糙度达到Ra6.3-12.5，(有刀纹要求，如活塞加工时有刀尖深度和宽度要求)。控制重熔部位粗糙度达到一定数值，可便于预送粉粉料和合金粉的附着。
d铝合金零件重熔部位经有机溶剂作除油处理。所述有机溶剂选自酒精、甲醇或丙酮等。通过有机溶剂的擦拭等，可去除铝合金零件重熔部位的油污。
优选的，步骤c中：重熔后零件采用玻璃纤维毯覆盖，以使零件缓慢降温，降低零件冷却过程中的应力，待零件冷却至70度以下，去掉所覆盖的玻璃纤维毯。当零件冷致常温后进行后续加工处理。
优选的，所述合金粉管的顶部还连通有保护气输送管，保护气输送管能够向合金粉管中输送防止合金粉料氧化的惰性保护气。
本发明的有益技术效果是：
本发明主要是利用激光光内送粉，将合金粉中的增强元素铁铬铜镍等，熔融进重熔区域，以大幅度提高重熔部位的强度，尤其是高温强度。
本发明预送粉粉料组分上，利用铁粉和石墨粉的黑体特性，结合磁力使粉料固定于重熔部位，激光反射率低于10％以下，激光能量达到最大程度的利用。合金粉料以配制铁铬铜镍硅的铝合金为主，混制时加入铁粉、石墨粉，以减少了熔池的激光反射率，从而使熔化效率提升15％以上。重熔后采用玻璃纤维覆盖重熔部位，减少了重熔部位的应力，减少重熔部位开裂的可能性。
经检测，本发明重熔强化后零件表面的硬度由120HV提升至170HV以上，350度保温一千小时后，残余硬度由不到75HV提升至100HV以上，提升33％以上。局部增强部位高低温强度均获得大幅度地提升。经CAE模拟分析，活塞所能承受的爆压，由过去的22Mpa，可以提高到23.5MPa以上，最大可达到24.5MPa，这就大大提高了铝活塞的应用范围，替代了相当数量的钢活塞，从而达到轻量化的目的。
本发明能够解决目前铝合金零件不能满足高温、高机械负荷要求的问题，而且制造工艺相对简单，局部重熔增强的铝合金零件能满足高负荷使用环境的要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明中预送粉示意图；
图2为本发明中合金粉送粉激光重熔示意图。
具体实施方式
实施例1
一种铝合金零件局部重熔增强的方法，包括以下步骤：
(1)准备粉料
粉料包括两种，一种是预送粉粉料，主要是在激光加热前在铝表面形成一层反光率低的涂层粉，减少激光的反射率。另一种是添加合金元素的合金粉。
其中，预送粉粉料为铁粉混合球形石墨颗粒，铁粉含量为99.99％，石墨粉含量为0.1％，以重量百分数计；粒度为40μm。
合金粉是铝合金粉与铁粉、球形石墨粉的混合物，铝合金粉含量为98.2％，铁粉含量为1.75％，石墨粉含量为0.05％，以重量百分数计；粒度均为60μm。
铝合金粉采用铝铁合金为基本合金，加入铜镍等易形成高温相的合金，具体是由以下重量百分比的原料加工制成：铁25％，铬5％，铜4％，镍2％，硅9％，余量为铝。其中合金化增强主要元素的铁铬铜镍兼具高温、常温增强作用，而硅除有增强作用之外，还有提高铸造性能的作用。以上铝合金熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉，铝合金粉再混合相近颗粒的铁粉、球形石墨粉减少反光率。
(2)铝合金零件经机械加工，使重熔部位粗糙度达到Ra6.3，(有刀纹要求，如活塞加工时有刀尖深度和宽度要求)。
(3)铝合金零件重熔部位经酒精作除油处理。
(4)铝合金零件激光重熔
(41)将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层。如图1所示，预送粉时，在零件1正下方设置磁铁或电磁铁2，以施加一定的磁力或电磁力，使粉料黏附于重熔部位。激光加热不会因铝表面反射而损失大部分能量。预送粉粉料采用预送粉管3进行输送，预送粉有两种方式，一是在重熔部位局部预送粉，二是在重熔整个区域先预送粉。
(42)如图2所示，采用环形激光束4进行激光加热，在环形激光束4的中心布置有合金粉管5。环形激光束4聚焦在零件的重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管5进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，其中少量的石墨覆盖于熔池表面，减少了激光的反射率，从而使熔化效率提升15％以上，合金粉中的铁铬铜镍等合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件。合金粉管5的顶部连接合金粉输送管6和保护气输送管7，保护气输送管7中能够喷出防止合金粉料氧化的惰性保护气。合金粉输送管6送来的合金粉进入合金粉管5，并在惰性保护气的保护作用下送至熔池区域，完成光内送粉。
(5)将重熔后零件采用玻璃纤维毯覆盖，以使零件缓慢降温，降低零件冷却过程中的应力。待零件冷却至60度，去掉所覆盖的玻璃纤维毯。
(6)零件冷制常温后进行后续加工处理。
经检测，本发明重熔强化后零件表面的硬度由112HV提升至175HV以上，350度保温一千小时后，残余硬度由67HV提升至105HV，提升56.7％。局部增强部位高低温强度均获得大幅度地提升。经CAE模拟分析，活塞所能承受的爆压，由过去的22Mpa，可以提高到23.7MPa，这就大大提高了铝活塞的应用范围，替代了相当数量的钢活塞，从而达到轻量化的目的。
实施例2
一种铝合金零件局部重熔增强的方法，包括以下步骤：
(1)准备粉料
粉料包括两种，一种是预送粉粉料，主要是在激光加热前在铝表面形成一层反光率低的涂层粉，减少激光的反射率。另一种是添加合金元素的合金粉。
其中，预送粉粉料为铁粉混合球形石墨颗粒，铁粉含量为99.8％，石墨粉含量为0.2％，以重量百分数计；粒度为35μm。
合金粉是铝合金粉与铁粉、球形石墨粉的混合物，铝合金粉含量为98.3％，铁粉含量为1.6％，石墨粉含量为0.1％，以重量百分数计；粒度均为80μm。
铝合金粉采用铝铁合金为基本合金，加入铜镍等易形成高温相的合金，具体是由以下重量百分比的原料加工制成：铁30％，铬4％，铜5％，镍1％，硅10％，余量为铝。其中合金化增强主要元素的铁铬铜镍兼具高温、常温增强作用，而硅除有增强作用之外，还有提高铸造性能的作用。以上铝合金熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉，铝合金粉再混合相近颗粒的铁粉、球形石墨粉减少反光率。
(2)铝合金零件经机械加工，使重熔部位粗糙度达到Ra12.5，(有刀纹要求，如活塞加工时有刀尖深度和宽度要求)。
(3)铝合金零件重熔部位经甲醇作除油处理。
(4)铝合金零件激光重熔
(41)将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层。如图1所示，预送粉时，在零件1正下方设置磁铁或电磁铁2，以施加一定的磁力或电磁力，使粉料黏附于重熔部位。激光加热不会因铝表面反射而损失大部分能量。预送粉粉料采用预送粉管3进行输送，预送粉有两种方式，一是在重熔部位局部预送粉，二是在重熔整个区域先预送粉。
(42)如图2所示，采用环形激光束4进行激光加热，在环形激光束4的中心布置有合金粉管5。环形激光束4聚焦在零件的重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管5进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，其中少量的石墨覆盖于熔池表面，减少了激光的反射率，从而使熔化效率提升15％以上，合金粉中的铁铬铜镍等合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件。合金粉管5的顶部连接合金粉输送管6和保护气输送管7，保护气输送管7中能够喷出防止合金粉料氧化的惰性保护气。合金粉输送管6送来的合金粉进入合金粉管5，并在惰性保护气的保护作用下送至熔池区域，完成光内送粉。
(5)将重熔后零件采用玻璃纤维毯覆盖，以使零件缓慢降温，降低零件冷却过程中的应力。待零件冷却至68度，去掉所覆盖的玻璃纤维毯。
(6)零件冷制常温后进行后续加工处理。
经检测，本发明重熔强化后零件表面的硬度由119HV提升至183HV以上，350度保温一千小时后，残余硬度由69HV提升至109HV以上，提升58％以上。局部增强部位高低温强度均获得大幅度地提升。经CAE模拟分析，活塞所能承受的爆压，由过去的22Mpa，可以提高到23.9MPa，这就大大提高了铝活塞的应用范围，替代了相当数量的钢活塞，从而达到轻量化的目的。
实施例3
一种铝合金零件局部重熔增强的方法，包括以下步骤：
(1)准备粉料
粉料包括两种，一种是预送粉粉料，主要是在激光加热前在铝表面形成一层反光率低的涂层粉，减少激光的反射率。另一种是添加合金元素的合金粉。
其中，预送粉粉料为铁粉混合球形石墨颗粒，铁粉含量为99.85％，石墨粉含量为0.15％，以重量百分数计；粒度为10-80μm。
合金粉是铝合金粉与铁粉、球形石墨粉的混合物，铝合金粉含量为96.5％，铁粉含量为3.43％，石墨粉含量为0.07％，以重量百分数计；粒度均为100μm。
铝合金粉采用铝铁合金为基本合金，加入铜镍等易形成高温相的合金，具体是由以下重量百分比的原料加工制成：铁15％，铬1％，铜2％，镍0.8％，硅5％，余量为铝。其中合金化增强主要元素的铁铬铜镍兼具高温、常温增强作用，而硅除有增强作用之外，还有提高铸造性能的作用。以上铝合金熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉，铝合金粉再混合相近颗粒的铁粉、球形石墨粉减少反光率。
(2)铝合金零件经机械加工，使重熔部位粗糙度达到Ra6.3，(有刀纹要求，如活塞加工时有刀尖深度和宽度要求)。
(3)铝合金零件重熔部位经丙酮作除油处理。
(4)铝合金零件激光重熔
(41)将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层。如图1所示，预送粉时，在零件1正下方设置磁铁或电磁铁2，以施加一定的磁力或电磁力，使粉料黏附于重熔部位。激光加热不会因铝表面反射而损失大部分能量。预送粉粉料采用预送粉管3进行输送，预送粉有两种方式，一是在重熔部位局部预送粉，二是在重熔整个区域先预送粉。
(42)如图2所示，采用环形激光束4进行激光加热，在环形激光束4的中心布置有合金粉管5。环形激光束4聚焦在零件的重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管5进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，其中少量的石墨覆盖于熔池表面，减少了激光的反射率，从而使熔化效率提升15％以上，合金粉中的铁铬铜镍等合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件。合金粉管5的顶部连接合金粉输送管6和保护气输送管7，保护气输送管7中能够喷出防止合金粉料氧化的惰性保护气。合金粉输送管6送来的合金粉进入合金粉管5，并在惰性保护气的保护作用下送至熔池区域，完成光内送粉。
(5)将重熔后零件采用玻璃纤维毯覆盖，以使零件缓慢降温，降低零件冷却过程中的应力。待零件冷却至35度，去掉所覆盖的玻璃纤维毯。
(6)零件冷制常温后进行后续加工处理。
经检测，本发明重熔强化后零件表面的硬度由119HV提升至183HV以上，350度保温一千小时后，残余硬度由69HV提升至109HV以上，提升58％以上。局部增强部位高低温强度均获得大幅度地提升。经CAE模拟分析，活塞所能承受的爆压，由过去的22Mpa，可以提高到24.5MPa，这就大大提高了铝活塞的应用范围，替代了相当数量的钢活塞，从而达到轻量化的目的。
实施例4
一种铝合金零件局部重熔增强的方法，包括以下步骤：
(1)准备粉料
粉料包括两种，一种是预送粉粉料，主要是在激光加热前在铝表面形成一层反光率低的涂层粉，减少激光的反射率。另一种是添加合金元素的合金粉。
其中，预送粉粉料为铁粉混合球形石墨颗粒，铁粉含量为99.94％，石墨粉含量为0.06％，以重量百分数计；粒度为45μm。
合金粉是铝合金粉与铁粉、球形石墨粉的混合物，铝合金粉含量为97.5％，铁粉含量为2.46％，石墨粉含量为0.04％，以重量百分数计；粒度均为100μm。
铝合金粉采用铝铁合金为基本合金，加入铜镍等易形成高温相的合金，具体是由以下重量百分比的原料加工制成：铁35％，铬2％，铜3％，镍1.5％，硅11％，余量为铝。其中合金化增强主要元素的铁铬铜镍兼具高温、常温增强作用，而硅除有增强作用之外，还有提高铸造性能的作用。以上铝合金熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉，铝合金粉再混合相近颗粒的铁粉、球形石墨粉减少反光率。
(2)铝合金零件经机械加工，使重熔部位粗糙度达到Ra12.5，(有刀纹要求，如活塞加工时有刀尖深度和宽度要求)。
(3)铝合金零件重熔部位经甲醇作除油处理。
(4)铝合金零件激光重熔
(41)将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层。如图1所示，预送粉时，在零件1正下方设置磁铁或电磁铁2，以施加一定的磁力或电磁力，使粉料黏附于重熔部位。激光加热不会因铝表面反射而损失大部分能量。预送粉粉料采用预送粉管3进行输送，预送粉有两种方式，一是在重熔部位局部预送粉，二是在重熔整个区域先预送粉。
(42)如图2所示，采用环形激光束4进行激光加热，在环形激光束4的中心布置有合金粉管5。环形激光束4聚焦在零件的重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管5进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，其中少量的石墨覆盖于熔池表面，减少了激光的反射率，从而使熔化效率提升15％以上，合金粉中的铁铬铜镍等合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件。合金粉管5的顶部连接合金粉输送管6和保护气输送管7，保护气输送管7中能够喷出防止合金粉料氧化的惰性保护气。合金粉输送管6送来的合金粉进入合金粉管5，并在惰性保护气的保护作用下送至熔池区域，完成光内送粉。
(5)将重熔后零件采用玻璃纤维毯覆盖，以使零件缓慢降温，降低零件冷却过程中的应力。待零件冷却至47度，去掉所覆盖的玻璃纤维毯。
(6)零件冷至常温后进行后续加工处理。
经检测，本发明重熔强化后零件表面的硬度由120HV提升至185HV以上，350度保温一千小时后，残余硬度由72HV提升至111HV以上，提升54.2％以上。局部增强部位高低温强度均获得大幅度地提升。经CAE模拟分析，活塞所能承受的爆压，由过去的22MPa,可以提高到24.1MPa，这就大大提高了铝活塞的应用范围，替代了相当数量的钢活塞，从而达到轻量化的目的。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于包括以下步骤：
a准备粉料
粉料包括两种，一种是预送粉粉料，另一种是添加合金元素的合金粉；
其中，预送粉粉料是由铁粉与石墨粉混合而成，铁粉含量为99.5-99.99％，石墨粉含量为0.01-0.5％，以重量百分数计；
合金粉是铝合金粉与铁粉、石墨粉的混合物，铝合金粉含量为95-98.5％，铁粉含量为1.5-4.7％，石墨粉含量为0.01-0.5％，以重量百分数计；
铝合金粉是由以下重量百分比的原料加工制成：铁10-35％，铬1-7％，铜2-6％，镍0.5-3％，硅1-11％，余量为铝；
b铝合金零件激光重熔
b1将预送粉粉料输送至铝合金零件需要重熔的部位，形成覆盖层；
b2采用环形激光束进行激光加热，在环形激光束的中心布置有合金粉管，环形激光束聚焦在重熔区域，进行加热，当形成熔池后，通过合金粉管进行光内送粉，将合金粉送入熔池中，合金粉中的合金元素快速融入到熔池的熔液中，得到重熔后零件；
c将重熔后零件缓慢降温，待零件冷制常温后进行后续加工处理。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于：所述预送粉粉料的粒度为10-80μm；所述合金粉的粒度为10-200μm。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于，所述合金粉的制备过程如下：
按上述重量百分比称取各原料，熔炼后经氩气雾化成球形铝合金粉；再将铝合金粉与铁粉和石墨粉混合得到。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于，步骤b1中：预送粉时，在零件正下方施加一定的磁力或电磁力，使粉料黏附于重熔部位。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于，步骤b1中：预送粉粉料采用预送粉管进行输送，预送粉有两种方式，一是在重熔部位局部预送粉，二是在重熔整个区域先预送粉。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于，在铝合金零件激光重熔之前，还包括以下步骤：
c铝合金零件经机械加工，使重熔部位粗糙度达到Ra6.3-12.5；
d铝合金零件重熔部位经有机溶剂作除油处理。
7.根据权利要求6所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于，步骤d中所述有机溶剂选自酒精、甲醇或丙酮。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于，步骤c中：重熔后零件采用玻璃纤维毯覆盖，以使零件缓慢降温，降低零件冷却过程中的应力，待零件冷却至70度以下，去掉所覆盖的玻璃纤维毯。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金零件局部重熔增强的方法，其特征在于：所述合金粉管的顶部还连通有保护气输送管，保护气输送管能够向合金粉管中输送防止合金粉料氧化的惰性保护气。
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