CN1298880C - 镁合金激光表面强化修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种镁合金表面激光强化修复方法。它通过采用镁合金材料，使用激光束，在大气条件下，使用氩气(或氦气或氩气、氦气的混合气体)进行保护，对镁合金的疏松、气孔、裂纹、缩孔、腐蚀坑等缺陷以及缺肉、尺寸超差等进行强化修复。该发明的优点：首先不需要使用真空室等复杂的设备；不对镁合金产生热损伤，并可以进行多次修复强化，不像氩弧焊对焊补次数有限制，不像氩弧焊只能对毛坯进行强化修复，该方法不仅可以对毛坯进行强化修复，对成品件以及薄壁件均可进行强化修复；热影响区窄或无热影响区；而且该方法无需强化前的预热和强化修复后的退火处理。
Description
技术领域
本发明属于金属表面修复方法，具体为一种镁合金激光表面强化修复方法。
背景技术
镁合金由于化学活性大，在铸造、加工成型过程中很容易发生疏松、气孔、裂纹、缩孔等缺陷(因为镁合金的生产方法为铸造和变形两种)，从而导致产品合格率降低，不仅使生产成本增加，而且有时会造成航空航天、军事等关键部件的及时交付使用。
由于镁合金不耐腐蚀，从而使得镁合金在使用过程中在镁合金上产生腐蚀坑，从而严重影响整个飞行器的安全可靠性。由于航空航天、导弹上所使用的镁合金多为薄壁件，同时又是成品件，不能使用氩弧焊进行修补，为了保证飞行安全，以前只好因为小小的腐蚀坑而“忍痛”做报废处理，而飞行器上使用的镁合金件一般都比较昂贵。
同样，由于镁合金不耐磨，在加工、运输过程中在其表面会造成损伤或划伤，而在加工过程中，操作稍有不慎，就有可能会在镁合金上多加工出一个孔或设计时并不希望出现的构形。如果不能对其进行尺寸恢复，整个零件就会报废。
本专利申请为国家自然科学基金资助项目(50371093)。
发明内容
本发明针对以上问题，提供一种镁合金激光表面强化修复方法，对镁合金进行强化修复，从而可以挽救镁合金使其可以“起死回生”，能够继续使用。
本发明的技术方案是这样实现的，航空航天、导弹、汽车等使用的镁合金零件形状各种各样，出现缺陷的部位也有很大的差别，本发明的特征在于可对目前航标所规定的各种牌号的镁合金，以及国外相近牌号的镁合金，进行激光表面修复强化，硬度高于基体材料，强化层与基体为冶金结合，强化层所使用的材料同基体材料相同或相近。其工艺方法为：
1、根据镁合金的牌号和需要进行强化修复的部位，采用相应的镁合金修复材料，使用的镁合金修复材料为现行航标所规定的各种牌号的镁合金材料，以及国外相近牌号的镁合金，制成相应的镁合金修复材料，由于镁合金易氧化和燃烧，该修复材料不适合采用粉末，可以为板状或块状或条状，将修复材料覆盖于缺陷上，覆盖层高出该表面缺陷0.1～10mm，覆盖层边缘线在该表面缺陷的相应边缘线以外0.1～5mm，利用激光来辐照，从而获得所需要的强化修复层。这是本发明区别于其他激光强化修复使用粉末的一个显著的特征。
2、修复材料的放置方式：采用机械夹具(如镊子等工具)夹持/定位或直接放置，然后利用激光辐照。
3、修复材料种类：为现行航标所规定的各种镁合金材料，由于各国都制定有自己的镁合金标准，按镁合金牌号、标准对照表，相近的国外镁合金也可以。
4、激光辐照：采用脉冲激光器或二氧化碳激光器，其中：
脉冲激光器波长为1.06微米，激光平均功率为400W-600W，每个脉冲作用的能量10～60J，脉冲宽度为0.5～15ms，扫描聚焦束斑直径0.2～2mm，脉冲频率为1～20Hz，扫描速度1-10mm/s；
二氧化碳光激光器波长为10.6微米，功率密度103～106W/cm2，输出功率为500～5000W，扫描聚焦束斑直径1～5mm，扫描速度3-20mm/s。
用激光对准修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。
5、表面强化修复前不需要进行预热，强化修复后不需要退火处理。
6、强化修复用材料首先需要进行去氧化皮，然后进行机械加工。对修复区域需要进行清洁处理，去氧化皮，使其表面光亮。
本发明的优点：
1、本发明通过采用镁合金材料，使用激光束，工艺方法简单，操作容易，不需要真空室等复杂的设备，在大气条件下，只需使用氩气(或氦气或氩气、氦气的混合气体)进行保护就可以了，对镁合金的疏松、气孔、裂纹、缩孔、腐蚀坑等缺陷以及缺肉、尺寸超差等进行强化修复。
2、本发明不对镁合金产生热损伤，并可以进行多次修复强化，不像氩弧焊对焊补次数有限制，而且热影响区窄或无热影响区；不像氩弧焊只能对毛坯进行强化修复，该方法不仅对毛坯可以进行强化处理，对成品件以及薄壁件均可进行强化修复；而且该方法无需强化前的预热和强化修复后的退火处理。经过使用，发现使用效果很不错，不仅挽救了镁合金件，而且节约了大量的资金，已经修复多种镁合金零件。
附图说明
由于镁合金按合金元素可以分为镁-铝合金系、镁-锌合金系和镁-稀土合金系三大类，故金相图片按以上分类标准提供最为常用的ZM5(镁-铝合金系)、ZM2(镁-锌合金系)、ZM6(镁-稀土合金系)三种合金。
图1为ZM5镁合金表面激光修复的低倍(50×)金相图。
图2为ZM2镁合金表面激光修复的低倍(100×)金相图。
图3为ZM6镁合金表面激光修复的低倍(50×)金相图。
具体实施方式
实施例1
ZM5镁合金表面激光修复，采用同样的镁合金修复材料覆盖于缺陷上，具体步骤如下：
1、覆盖层高出该表面缺陷0.6～10mm，覆盖层边缘线在该表面缺陷的相应边缘线以外0.1～5mm，利用激光来辐照，从而获得所需要的强化修复层。
2、修复材料的放置方式：采用机械夹具(如镊子等工具)夹持/定位或直接放置，然后利用激光辐照。
3、激光辐照：采用脉冲激光器，脉冲激光器波长为1.06微米，激光平均功率为400W，每个脉冲作用的能量30J，脉冲宽度为1-5ms，扫描聚焦束斑直径1mm，脉冲频率为10Hz，扫描速度3-5mm/s；在氩气保护下，用激光对准修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。
4、表面强化修复不需要进行预热，强化修复后不需要退火处理。
5、强化修复用材料首先需要进行去氧化皮，然后进行机械加工。对修复区域需要进行清洁处理，去氧化皮，使其表面光亮。
如图1所示为ZM5镁合金表面激光修复的低倍(50×)金相图，修复效果很不错，不仅挽救了镁合金件，而且节约了大量的资金。使用该方法对某飞机铸造的发动机进气机机匣和飞机发动机的附件机匣的疏松进行了强化修复，已经经受了工厂两次(3-10)kgf/cm2的打压考核不漏油，经受了外场科目飞行考核，无异常。
实施例2
与实施例1不同之处是：
ZM2镁合金表面激光修复，采用同样的镁合金修复材料，将修复材料直接放置在修复表面，激光辐照采用脉冲激光器，脉冲激光器波长为1.06微米，激光平均功率为500W，每个脉冲作用的能量15J，脉冲宽度为3-5ms，扫描聚焦束斑直径0.5mm，脉冲频率为3Hz，扫描速度4-6mm/s；在氩气保护下，用激光对准修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。
如图2所示为ZM2镁合金表面激光修复的低倍(100×)金相图。
我们对某飞机前支撑壳体因垫片造成的电偶腐蚀进行了修复，经工厂装机使用，无异常。
实施例3
与实施例1不同之处是：
ZM6镁合金表面激光修复，采用同样的镁合金修复材料，将修复材料直接放置在修复表面，激光辐照采用脉冲激光器，脉冲激光器波长为1.06微米，平均输出功率为400W，扫描聚焦束斑直径2mm，扫描速度5mm/s，脉冲频率为4Hz，脉冲宽度2-6ms。在氦气保护下，用激光对准以修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。
如图3所示为ZM6镁合金表面激光修复的低倍(50×)金相图。
我们采用此方法修复的飞机后部减速箱壳体(ZM6)的表面划伤已经通过军方的验证。对俄罗斯进口的飞机镁合金MЛ10和MЛ9(俄罗斯镁合金标准，根据镁合金牌号、标准对照表，这两种合金同国产ZM6镁合金相近，所以我们采用了ZM6镁合金作为修复材料)附件的大气腐蚀缺陷进行了强化修复，经过两年的运行无异常。修复的国产某导弹部件的ZM6镁合金的集中缩孔通过了相关部门的考核并已经交付使用。而在加工过程中工人操作失误造成ZM6镁合金多钻出一个定位孔的问题，经过采用本方法进行尺寸恢复，已经得到解决。
实施例4
与实施例1不同之处是：
ZM3镁合金表面激光修复，采用同样的镁合金修复材料，将修复材料直接放置在修复表面，激光辐照采用二氧化碳激光器，二氧化碳光激光器波长为10.6微米，功率密度103W/cm2，输出功率为900W，扫描聚焦束斑直径1mm，扫描速度6mm/s。在氦气保护下，用激光对准修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。现已经修复了发动机压气机机匣加工时不小心造成的裂纹，现在已经装机使用。
实施例5
与实施例1不同之处是：
ZM1镁合金表面激光修复，采用相近牌号的ZM2镁合金作为修复材料，这是因为ZM1镁合金的热裂纹、疏松敏感性比较大，将修复的材料直接放置在修复表面，激光辐照采用二氧化碳激光器，二氧化碳光激光器波长为10.6微米，功率密度105W/cm2，输出功率为1500W，扫描聚焦束斑直径3mm，扫描速度15mm/s。在氩气、氦气的混合气体保护下，用激光对准修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。目前对ZM1镁合金报废件进行修复后经检测工件无变形。
实施例6
与实施例1不同之处是：
MB3镁合金表面激光修复，采用MB3或MB2镁合金作为修复材料，这是因为MB3同MB2镁合金的化学成分和机械性能相近，为相近牌号的镁合金，将修复的材料直接放置在修复表面，激光辐照采用二氧化碳激光器，二氧化碳光激光器波长为10.6微米，功率密度105W/cm2，输出功率为1000W，扫描聚焦束斑直径3.5mm，扫描速度10mm/s。在氩气、氦气的混合气体保护下，用激光对准修复材料覆盖层的边缘线，然后开始扫描，光束反复辐照，形成激光熔铸层，之后进行磨修、检测、抛光等工序完成镁合金表面强化修复。目前对MB3镁合金飞机内部附件的零件进行修复后经检测工件无变形。
Claims (2)
1、镁合金激光表面强化修复方法，其特征在于具体步骤如下：
根据镁合金的材料和表面缺陷采用相应的镁合金修复材料进行强化，修复材料采用板状或块状或条状的镁合金，修复材料放置方式为采用机械方式夹持定位或直接放置，将修复材料覆盖于表面缺陷上，覆盖的修复材料高出该表面缺陷0.1-10mm，覆盖的修复材料边缘线在该表面缺陷的相应边缘线以外0.1-5mm，利用激光辐照，从而获得所需要的强化修复层；
所述激光辐照是在氩气或氦气或氩气、氦气的混合气体保护下，使用脉冲激光器或二氧化碳激光器进行激光辐照；
脉冲激光器进行激光辐照的工艺参数：
波长为1.06微米；
激光平均功率为400-600W；
每个脉冲作用的能量10～60J；
脉冲宽度为0.5～15ms；
扫描聚焦束斑直径为0.2～2mm；
脉冲频率为1～20Hz；
扫描速度1-10mm/s；
二氧化碳光激光器进行激光辐照的工艺参数：
波长为10.6微米；
功率密度103～106W/cm2；
输出功率为500～5000W；
扫描聚焦束斑直径1～5mm；
扫描速度3-20mm/s。
2、按照权利要求1所述镁合金激光表面强化修复方法，其特征在于：修复的材料采用相同或相近牌号的镁合金；或者根据镁合金牌号、标准对照表，采用相近的国外镁合金。
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