CN113477927B - 一种钢制零件表面修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种钢制零件表面修复方法，所述方法采用定向能量沉积与轧制复合的方式，其中，轧制温度控制在800～1100℃，轧制压力控制在使沉积层发生压塑性变形，应变为0.1～0.5，变形速率为0.1～1.2s‑1，所述轧制温度为轧制时沉积区域的表面温度。本发明通过将定向能量沉积与轧制复合，在修复区域边沉积金属边轧制，并同时调控轧制过程中的温度、压力，从而有效的减少沉积金属组织中的气孔、未熔合和裂纹等缺陷，并能细化晶粒，使修复组织更加致密，显著提升修复部分的力学性能和疲劳性能。本发明的方法具有设备简单，加工成本低，加工效率高，不受零件尺寸限制，作用深度深等优点。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造领域，尤其涉及一种钢制零件表面修复方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing,AM)近些年引起了全世界的广泛关注，已成为先进制造技术的一个重要的发展方向，增材制造技术在工业应用领域发挥了至关重要的作用。根据美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)的定义，增材制造是一种与减法制造相对应，以3D模型数据为基础，通常是使用逐层叠加的方式将材料连接起来的成型制造方式。
定向能量沉积(Directed Energy Deposition,DED)是利用聚焦热能熔化成型材料并按照预定的轨迹沉积形成所需零件的增材制造工艺。相比传统制造方法，定向能量沉积能够实现在无需模具的情况下成型复杂金属零件；无需传统的刀具、夹具、机床等设备；制造流程短，具备分布式生产的特点。相比激光床选区熔化等粉末床增材制造方法，定向能量沉积可以在现有零件表面实现沉积成型，适合用于零件的修复；具有更高的成型效率和成型尺寸，适合大尺寸毛坯件的制备；可以用于梯度零件的制备，根据实际使用需要更改具体位置的成分和组织。
但是直接通过高能束热源进行零件表面修复仍有其固有缺陷。热源沿零件表面移动时，零件表面会形成局部过热，在过热区域内晶粒急剧增大，会产生过热组织形成热影响区。而热影响区内的组织变化和强度退化将使零件的塑形和冲击韧性大大降低，直接影响零件的疲劳性能和安全性。此外由于金属材料在急速冷却凝固过程中形成的残余应力会导致熔覆层开裂和零件的变形。沉积层内部形成各向异性的粗大树枝晶，会增大熔覆层脆性。而且沉积层还会难以避免地出现气孔，未熔合和裂纹等缺陷。这些缺陷使定向能量沉积成型零件的综合力学性能无法达到锻件标准，限制了定向能量沉积在长期服役成立结构件等更多领域的推广和应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种钢制零件表面修复方法，通过将定向能量沉积与轧制复合，从而有效的减少沉积金属组织中的气孔、未熔合和裂纹等缺陷，细化晶粒，使组织更加致密，并能控制熔覆层的应力分布状态，以提升修复后钢制零件的疲劳性能。
本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种钢制零件表面修复方法，采用定向能量沉积与轧制复合的方式，其中，轧制温度控制在800～1100℃，轧制压力控制在使沉积层发生压塑性变形，应变为0.1～0.5，变形速率为0.1～1.2s-1，所述轧制温度为轧制时沉积区域的表面温度。
局部过热以及金属材料的急速冷却会形成较大的残余应力，使得定向能量沉积方式在表面修复质量上仍有一定缺陷。为克服这些缺陷，一种可行的方法是通过定向能量沉积和其他加工方式或外在热源协同工作，对零件表面缺陷或损伤区域进行修复至初始形态。在常见的修复方式组合中，激光冲击技术存在修复效率低成本高的缺点；超声冲击技术作用的深度较浅，无法改变零件内部较深层次的应力分布；而热等静压技术成本高昂，且难以实现逐层/隔层加压。发明人尝试了定向能量沉积与轧制、定向能量沉积与锻造等组合方式，但修复质量仍不理想。发明人创新性地将定向能量沉积与轧制复合，边沉积边轧制，并严格控制轧制的温度和压力，使得沉积金属层中的气孔、未熔合和裂纹等缺陷减少，晶粒细化，组织更加致密，从而实现了修复部分良好的力学性能和疲劳性能。
本发明的修复方法中，为定向能量沉积与轧制同时进行，即当所述定向能量沉积形成的沉积区域的表面温度一旦降到800～1100℃的温度区间，则进行轧制。不同于现有钢制零件表面修复技术中的待修复区域完全沉积金属后再进行轧制或锻压，本发明中可谓边定向能量沉积边轧制，且通过控制轧制温度，应变和变形速率控制修复层质量，达到所需要的修复效果。
本发明的钢制零件表面修复方法可用于钢制零件表面为平面、弧面、自由曲面等表面轮廓的情形。
在本发明的优选实施方式中，所述钢制零件表面修复方法包括以下步骤：
(1)对钢制零件表面待修复区域进行机加工处理，去除缺陷、损伤及氧化层；
(2)高能束加工头引导高能束熔化钢制零件表面待修复区域及金属沉积材料，按照预设沉积轨迹逐层熔化、凝固、堆积形成沉积层；在沉积时进行逐层或隔层同步轧制，通过调节高能束加工头和轧辊之间的距离使轧制温度控制在800～1100℃，控制轧辊压力使沉积层在压力作用下发生压塑性变形，应变为0.1～0.5，变形速率为0.1～1.2s-1。
进一步地，步骤(2)中，所述同步轧制包括运动方向、运动速度和运动起止时间均一致，在轧制温度确定后，高能束加工头和轧辊的相对位置保持不变。其中，轧制温度可通过温度传感器测定。
进一步地，步骤(2)中，所述逐层或隔层同步轧制指沉积层是逐层沉积的，而轧制可以是逐层轧制，即沉积1层同步轧制1次，也可以是隔层轧制，即每沉积2层或多层同步轧制1次。但需注意的是，两次轧制之间沉积层的厚度不超过4mm。
进一步地，步骤(2)中，所述高能束可以为激光、电弧、电子束、等离子束等高能热源。
进一步地，步骤(2)中，所述金属沉积材料为与钢质零件材料成分相同或接近的钢质粉末或丝材。
进一步优选地，所述轧制温度控制在800～910℃，所述沉积层在压力作用下发生压塑性变形的应变为0.2～0.5，变形速率为0.2～1.0s-1。
钢制零件轧制的工艺参数窗口主要参考钢材锻造工艺中的初锻温度和终锻温度，最小和最大变形量，并参考钢材动态再结晶条件，再结晶程度，结合沉积过程中高能束加工头的移动速度，沉积层厚度及轧辊尺寸等诸多条件优选得到800～910℃的轧制温度窗口，0.2～0.5的应变最佳区间，0.2～1.0s-1的变形速率区间。
本发明还提供由上述钢制零件表面修复方法修复得到的钢制零件。此时得到的钢制零件修复部分较传统修复方法得到的，具有更好的拉伸强度、屈服强度、延伸率和致密度，且控制了激光沉积高温快冷产生的残余应力，提升了力学性能和疲劳性能。
本发明提供了一种钢制零件表面修复方法，通过将定向能量沉积与轧制复合，在修复区域边沉积金属边轧制，即一改往常的待金属完全沉积之后再进行轧制，并同时调控轧制过程中的温度、压力，从而有效的减少沉积金属组织中的气孔、未熔合和裂纹等缺陷，细化晶粒，使组织更加致密，显著提升修复部分的力学性能和疲劳性能。而且本发明的方法具有设备简单，加工成本低，加工效率高，不受零件尺寸限制，作用深度深等优点。
附图说明
图1为本发明送粉方式定向能量沉积与轧制复合的钢制零件表面修复方法示意图；
图2为本发明送丝方式定向能量沉积与轧制复合的钢制零件表面修复方法示意图；
图中：1-待修复钢制零件；2-成型腔体；3-高能束加工头；4-送粉装置；5-沉积层；6-轧辊；7-温度传感器；8-送丝装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
实施例1
本实施例提供一种钢制零件表面修复方法，包括以下步骤：
如图1所示，将待修复钢制零件1(已经过机加工处理，去除了缺陷、损伤及氧化层)放入成型腔体2内固定，封闭成型腔体2。通过高能束加工头3输出激光熔化待修复钢制零件1表面形成熔池，激光功率为1000W。送粉装置4同时利用惰性保护气体输送金属粉末到熔池中，按照规划路径运动形成沉积层5。其中激光扫描速度13mm/s，激光扫描间距为0.3mm，单层沉积层厚度为1.0mm，共沉积8层。轧辊6与高能束加工头3同步运动进行隔层轧制(每沉积两层轧制一次，当仅沉积不轧制时，可将轧辊6抬高使其不接触沉积区域)，通过温度传感器7测量沉积层5表面温度并控制高能束加工头3和轧辊6之间的距离，使轧制温度控制在860℃，沉积层5的应变为0.4，变形速率为1.0s-1。轧制前后沉积层5的力学性能见表1。
实施例2
本实施例提供一种钢制零件表面修复方法，包括以下步骤：
如图2所示，将待修复钢制零件1(已经过机加工处理，去除了缺陷、损伤及氧化层)放入成型腔体2内固定，封闭成型腔体2。通过高能束加工头3输出电子束熔化待修复钢制零件1表面形成熔池，电子束电压为25kV，电流为30mA。送丝装置8输送金属丝材到熔池中，按照规划路径运动形成沉积层5。其中扫描速度3.5mm/s，电子束扫描间距为25mm，单层沉积层厚度为1.2mm，共沉积6层。轧辊6与高能束加工头3同步运动进行逐层轧制，通过温度传感器7测量沉积层5表面温度并控制高能束加工头3和轧辊6之间的距离，使轧制温度控制在910℃，沉积层5的应变为0.5，变形速率为0.3s-1。轧制前后沉积层5的力学性能见表1。
实施例3
本实施例提供一种钢制零件表面修复方法，包括以下步骤：
如图2所示，将待修复钢制零件1(已经过机加工处理，去除了缺陷、损伤及氧化层)放入成型腔体2内固定，封闭成型腔体2。通过高能束加工头3输出电弧熔化待修复钢制零件表面形成熔池，电弧电压为30V，电流为135A。送丝装置8输送金属丝材到熔池中，按照规划路径运动形成沉积层5。其中扫描速度4mm/s，送丝速度70mm/s，共沉积9层。轧辊6与高能束加工头3同步运动进行逐层轧制，通过温度传感器7测量沉积层5表面温度并控制高能束加工头6和轧辊3之间的距离，使轧制温度控制在850℃，沉积层5的应变为0.4，变形速率为0.4s-1。轧制前后沉积层5的力学性能见表1。
对比例1
本对比例提供一种钢制零件表面修复方法，先将待修复区域进行机加工处理，去除缺陷、损伤和氧化层，然后通过定向能量沉积(高能束为激光)沉积金属，最后进行室温轧制。轧制前后沉积层的力学性能见表1。
对比例2
本对比例提供一种钢制零件表面修复方法，包括以下步骤：
将待修复钢制零件(已经过机加工处理，去除了缺陷、损伤及氧化层)放入成型腔体内固定，封闭成型腔体。通过高能束加工头输出电子束熔化待修复钢制零件表面形成熔池，电子束电压为25kV，电流为30mA。送丝装置输送金属丝材到熔池中，按照规划路径运动形成沉积层。其中扫描速度3.5mm/s，电子束扫描间距为25mm，单层沉积层厚度为1.2mm，共沉积6层。轧辊与高能束加工头同步运动进行逐层轧制，通过温度传感器测量沉积层表面温度并控制高能束加工头和轧辊之间的距离，使轧制温度控制在300℃，沉积层的应变为0.5，变形速率为0.3s-1。轧制前后沉积层的力学性能见表1。
沉积层力学性能测试方法参照国标GB/T:228.1-2010。
表1各实施例和对比例修复部分的力学性能测试结果
由表1结果可知，本发明提供的修复方法可有效提高升修复部分的力学性能。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述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精神和范围。
Claims (5)
1.一种钢制零件表面修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对钢制零件表面待修复区域进行机加工处理，去除缺陷、损伤及氧化层；
(2)高能束加工头引导高能束熔化钢制零件表面待修复区域及金属沉积材料，按照预设沉积轨迹逐层熔化、凝固、堆积形成沉积层；在沉积时进行逐层或隔层同步轧制，通过调节高能束加工头和轧辊之间的距离使轧制温度控制在800～910℃，控制轧辊压力使沉积层在压力作用下发生压塑性变形，应变为0.2～0.5，变形速率为0.2～1.0s-1；所述同步轧制包括运动方向、运动速度和运动起止时间均一致，在轧制温度确定后，高能束加工头和轧辊的相对位置保持不变，所述同步轧制过程中，两次轧制之间沉积层的厚度不超过4mm。
2.根据权利要求1所述的钢制零件表面修复方法，其特征在于，所述钢制零件表面为平面、弧面或自由曲面。
3.根据权利要求1或2所述的钢制零件表面修复方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高能束为激光、电弧、电子束或等离子束。
4.根据权利要求1或2所述的钢制零件表面修复方法，其特征在于，步骤(2)中，所述金属沉积材料为与钢质零件材料成分相同或接近的钢质粉末或丝材。
5.由权利要求1～4任一项所述的钢制零件表面修复方法修复得到的钢制零件。
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