高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法
【專利摘要】一種高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，包括四大塊流程，第一，拆卸損傷刀具，室溫下對其表面進行除油，除銹，并用丙酮清洗干凈；然后進行表面無損檢測，對表面裂紋損傷缺陷精確定位；第二，激光熔凝：在裂紋表面刷吸光材料，并進行恒溫處理；有針對的對裂紋處進行激光熔凝修復處理，氦氣側吹保護激光熔凝部位；第三，離子注入：氬離子濺射清洗后干燥，然后進行低溫離子注入，控制注入溫度等參數；第四，刀具表面修整、表面層恢復，恢復剪切裝備刀具表面原來的保護系統并進行表面無損檢測。本發明充分結合了激光熔凝和低溫離子注入處理的特點，避免了常用方法焊接變形，熱輸入量較大，熱影響區極易出現熱裂紋等問題。
【專利說明】高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機械制造與材料處理加工應用【技術領域】，特指一種高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，尤其適用于高溫疲勞條件下金屬及合金材料表面有微細裂紋等缺陷修復，提高其疲勞壽命、耐磨性，高溫持久強度等綜合性能。
【背景技術】
[0002]激光恪凝(Laser Remelting)又稱激光上釉。它是利用高能激光束在金屬表面連續掃描，使表面薄層快速熔化，并在很高的溫度梯度作用下，以105?10 7°C /s的速度快速冷卻、凝固，從而使材料表面產生特殊的微觀組織結構。激光熔凝所需的激光能量高，冷卻快；表面的裂紋和缺陷可以通過熔化過程焊合，表層成分偏析減少，形成高度過飽和固溶體等亞穩定乃至非晶相，熔凝層組織非常細小，從而提高了材料的綜合機械性能。避免了常用方法焊接變形，熱輸入量較大，熱影響區極易出現熱裂紋，使用過程中容易產生脫落、開裂等問題。
[0003]離子注入技術是將加速到一定高能量的離子束注入固體材料表面層內，以改變表面層物理和化學性質的一種材料表面改性技術。其基本原理是:用能量為lOOkeV量級的離子束入射到材料中去，離子束與材料的原子或分子將發生一系列物理的和化學的相互反應，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結構和性能發生變化，從而優化材料表面性能，或獲得某些新的優異性能。
[0004]由于高溫，高壓等復雜多變的工況條件，例如航空航天、石油化工、動力機械行業，復雜的載荷和苛刻的工作環境對于設備的疲勞、蠕變、耐磨性等綜合性能有著很大的影響，極容易出現零部件的裂紋和缺陷，嚴重影響了設備的安全穩定，造成了極大的安全隱患和經濟損失。
[0005]本發明技術就是將激光熔凝技術和低溫離子注入處理這兩項技術相結合，通過各自所具備的的優點來彌補二者本身所存在的缺陷。損傷的零部件在經過激光熔凝修復之后再對其表面進行離子注入復合處理加工，一方面是在高溫疲勞條件激光熔凝過程中所產生的殘余壓應力不會因此得到太大釋放，維持了本身因激光熔凝這一修復方式所帶來的高的高溫疲勞壽命同時離子注入本身所帶來的表面材料結構和成分的改變進一步提升了材料的綜合性能。這是一項軍民兩用技術，在航空航天、汽車工業、石油化工、核工業等領域具有巨大的應用前景，在某些場合具有不可替代的作用，潛在數百億至上千億的市場。
[0006]申請號為201310326112.1的中國專利申請公開了一種金屬鑄件缺陷修補的工藝，通過熔化修復材料填補鑄件缺陷，實現表面缺陷的快速修復。但利用表面修復材料在熔融狀態下進行修復，一方面修復材料與基材的結合強度低，在隨后的使用中可能發生脫落，甚至造成二次損傷，另一方面此方法對其修復后的材料硬度影響小，基本維持原材料硬度。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于解決高溫工作環境下零部件不能滿足超常服役，因此而引發的部件損傷的問題，提供一種高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法。對損傷零部件的修復及強化后，硬度、耐磨性等機械性能顯著提高，延長零部件使用壽命，解決了工程實際應用的難題。
[0008]一種高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，先對微細裂紋進行激光熔凝修復處理，達到修復目的，再對其進行低溫離子注入處理，綜合改善材料的機械性能，大幅度提高材料的疲勞壽命。具體修復及強化工藝過程如下:
[0009]第1步:室溫下對零件表面進行除油、除銹，并用丙酮清洗干凈，防止進入熔凝過程中夾雜物和缺陷，影響熔凝的質量和修復效果。
[0010]第2步:對零部件進行表面無損檢測，精確定位損傷部位，主要采用無損探傷的方法，以檢測零件表面細微裂紋的具體位置、形狀、大小等。
[0011]第3步:裂紋表面刷增強吸收材料，吸收材料的選擇并不單一，混用容易導致激光處理過程中產生化學反應，因此最好使用一種增強吸收材料，例如黑漆，并放置于200°C恒溫箱中保溫2h。
[0012]第4步:應用多功能數控激光器對裂紋部分進行激光熔凝修復，同時通氦氣以保護激光熔凝部位。
[0013]第5步:對激光熔凝修復后零件表面進行拋光、丙酮清洗、干燥。
[0014]第6步:氬離子濺射，干燥。
[0015]第7步:離子注入。
[0016]第8步:對強化后的零件進行表面修整，使其達到表面質量要求。
[0017]第9步:恢復剪切零件表面原來的保護系統。
[0018]第10步:對修復件進行無損檢測，直至修復完成。
[0019]本發明的技術方案在于充分結合了激光熔凝和低溫離子注入處理的特點，避免了常用方法焊接變形，熱輸入量較大，熱影響區極易出現熱裂紋，使用過程中容易產生脫落、開裂等問題。先對零件進行激光熔凝修復裂紋，使表面薄層基材快速熔化，并在很高的溫度梯度作用下，以105?10 7V /s的速度快速冷卻、凝固，從而使材料表面產生特殊的微觀組織結構。熔凝層組織非常細小，從而提高了材料的綜合機械性能；熔凝層中馬氏體轉變產生的壓應力更大，提高了工件的抗疲勞，耐磨等性能。再對其進行低溫離子注入，有效提高零件的強度，耐磨性以及疲勞壽命等機械性能。
[0020]本發明的優點如下:
[0021]1)激光熔凝可在缺陷部位形成致密的金屬層，避免了傳統修復方式易脫落、開裂的缺點，同時限制了殘余壓應力的釋放，大幅度提高表面缺陷零部件強度和耐磨性等綜合性能。
[0022]2)可滿足工件的多種性能要求:這種復合處理方法不僅能對高溫環境下零部件表面強化改性處理，而且適用于其它結構件，提高工件硬度、耐磨性、耐蝕性、疲勞強度。
[0023]3)該復合處理后零部件的變形很小。復合處理后工件基本不變形、外觀均勻，可作為廣品最終處理；
[0024]4)該復合處理技術環保性優異，沒有任何污染。避免采用回爐、冶煉等回收方式時對環境的二次污染，是綠色的再制造。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明具體實施例的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0026]以刀具表面修復為例，參考附圖對本發明作進一步詳細闡述。
[0027]如圖1所示，本發明整體包括四大塊流程，第一，拆卸損傷刀具，室溫下對其表面進行除油，除銹，并用丙酮清洗干凈；然后進行表面無損檢測，對表面裂紋損傷缺陷精確定位；第二，激光熔凝:在裂紋表面刷吸光材料，并進行恒溫處理；有針對的對裂紋處進行激光熔凝修復處理，氦氣側吹保護激光熔凝部位；第三，離子注入:氬離子濺射清洗后干燥，然后進行低溫離子注入，控制注入溫度等參數；第四，刀具表面修整、表面層恢復，恢復剪切裝備刀具表面原來的保護系統并進行表面無損檢測。具體如下:
[0028]室溫下對零件進行表面預處理，除油、除銹，并用丙酮清洗干凈；對部件進行表面無損檢測，精確定位損傷部位，確定每個裂紋的具體位置、形狀、大小；
[0029]表面刷吸光涂料，并放置于200°C恒溫箱中保溫2h;應用多功能數控激光加工成套設備有針對的對表面缺陷及裂紋部分進行激光熔凝修復，激光功率2000W，掃描速度20mm/s,同時氦氣側吹保護激光熔凝部位。激光熔凝結束后表面依次進行拋光、丙酮清洗、干燥處理。再采用氬離子濺射方式清洗30min，除去零件表面殘余的氧化物、油漬和碎肩，然后再次干燥處理。
[0030]離子注入時注入能量為70keV，束流密度為lOuA/cm2，最高溫度不超過250°C，注入計量為 lX10171n/cm2，真空度為 7Xl(T6Torr0
[0031]離子注入強化后，對零件進行表面修整，達到表面質量要求，最后再次對零件進行無損檢測，不符合質量要求則循環步驟1-3直至零件全部裂紋修復處理完成。
[0032]本發明，經過激光熔凝修復后，損傷部位被修復完成并產生殘余壓應力，由于殘余壓應力在疲勞載荷中起著負平均應力的作用，可以延緩疲勞裂紋的萌生。但值得注意的是，材料表層的殘余壓應力在熱應力、熱應變的高溫疲勞環境中將會大大釋放，經低溫離子注入后，將會抑制殘余應力的釋放，從而抑制零件在高溫疲勞環境中引起的裂紋擴展，提高其熱疲勞性能、耐磨性和持久強度。
[0033]本發明采用的激光熔凝技術利用自身表面薄層快速熔化修復裂紋及缺陷，不存在后期脫落的問題，而且由于熔凝層組織非常細小，熔凝層中馬氏體轉變產生的壓應力大，表面的裂紋和缺陷可以通過熔化過程焊合，表層成分偏析減少，形成高度過飽和固溶體等亞穩定乃至非晶相，可顯著提高刀具表面強度、耐磨性、疲勞壽命等機械性能。在隨后進行的低溫離子注入不僅有效降低了殘余壓應力的釋放，同時更進一步提升了零件表面的綜合性會泛。
【權利要求】
1.一種高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，其特征在于包括如下步驟: 1)對零件進行表面預處理，除油、除銹，然后進行表面無損檢測，定位損傷部位，確定每個裂紋的具體位置、形狀、大小； 2)對檢測出的零件表面的裂紋進行激光熔凝修復； 3)對激光熔凝修復部位進行離子注入。
2.根據權利要求1所述的高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，其特征在于:步驟I中，室溫下對零件表面進行除油、除銹，并用丙酮清洗干凈，之后對零件進行表面無損檢測，然后在裂紋表面刷增強吸收材料，并放置于恒溫箱中保溫2h，恒溫箱設定為增強吸收材料吸收效果最佳且不影響零部件本身性能的溫度范圍。
3.根據權利要求1所述的高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，其特征在于:步驟2中，激光熔凝修復采用多功能數控激光器對裂紋進行激光熔凝修復，激光功率為2500W，掃描速度為lOmm/s，同時通氦氣以保護激光熔凝部位；激光熔凝結束后表面依次進行拋光、丙酮清洗、干燥處理。
4.根據權利要求2所述的高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，其特征在于:增強吸收材料為黑漆，恒溫箱溫度設定為200°C。
5.根據權利要求3所述的高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，其特征在于:步驟2中對激光熔凝修復后的零件表面進行拋光、丙酮清洗、干燥處理后，再采用氬離子濺射方式清洗30min，除去零件表面殘余的氧化物、油漬和碎肩，然后再次干燥處理。
6.根據權利要求1-5任一項所述的高溫工作環境下零件裂紋修復及強化的復合處理方法，其特征在于:步驟3中，離子注入時注入能量為70keV，束流密度為lOuA/cm2，最高溫度不超過250°C，注入計量為1\10171011/0112，真空度為7\10 _6Torr ;離子注入強化后，對零件進行表面修整，達到表面質量要求，最后再次對零件進行無損檢測，不符合質量要求則循環步驟1-3直至零件全部裂紋修復處理完成。
【文檔編號】C23C24/10GK104451662SQ201410677425
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】李路娜, 范世祥, 陳趙, 連碧華, 徐士東, 桑晶 申請人:南京機電職業技術學院