一種金屬零件應力控制3d打印再制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及技術領域，尤其是一種應力控制3D打印修復方法。
【背景技術】
[0002]金屬機械零件長期使用后易產生疲勞裂紋、磨損、點蝕、斷裂剝落等形式的失效，導致機械零件使用性能下降或報廢。為降低損失，減少金屬資源浪費，節約企業運行成本，常對失效零件進行修復再制造。一般再制造方法有堆焊、融覆、電弧沉積等。
[0003]如申請號為201110326721.8的中國發明專利，其公開一種硬齒面齒輪及硬齒面齒輪修復工藝，包括前期處理階段，預處理硬齒面齒輪，使硬齒面齒輪達到修復要求；修復階段，使硬齒面齒輪表面形成熔覆層；加工階段，加工經過修復階段的硬齒面齒輪，使硬齒面齒輪達到修復標準。即是在經過預處理的齒輪上融覆合金材料，然后加工到原設計尺寸，從而降低硬齒面齒輪的報廢率，提高企業的經濟效益。再如申請號為201310054557.9的中國發明專利，公開一種航空發動機葉片損傷的修復方法，該方法依據待修復葉片表面尺寸形狀特征進行分段處理，設定各段脈沖等離子熱輸入參數和脈動送絲控制參數，分段進行等離子焊接修復。
[0004]常規修復再制造使用的填充材料一般不同于零件的本體材料成分，修復后的零件在使用過程中，兩種材料結合界面處易產生疲勞缺陷。另外，由于再制造過程中受熱影響作用，再制造后的零件表層常存在殘余拉應力層，殘余拉應力層的存在，降低了零件的抗疲勞強度和耐磨性能，使零件的抗疲勞壽命縮短。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服上述已有技術的不足，提供一種金屬零件應力控制3D打印再制造方法，使修復后的金屬零件表層產生殘余壓應力層，提高零件的抗疲勞性能，延長零件的抗疲勞壽命。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是:一種金屬零件應力控制3D打印再制造方法，其特征在于:包括材料準備階段:制備金屬零件本體試樣和融覆試樣，并用激光沖擊進行試樣應力試驗，獲得相同殘余壓應力所需的激光參數；預處理階段:對待修復金屬零件進行預處理，使其表面達到修復要求，并利用圖像識別方法確定零件修復區域和修復余量；3D打印修復階段:將預處理后的待修復金屬零件安裝在激光3D打印機上，利用激光3D打印機逐層融覆修復金屬零件，使修復部位尺寸達到零件原設計尺寸；應力控制階段:修復完成后，使用激光沖擊消除修復部位及其附近區域的殘余拉應力，然后利用激光沖擊強化方法，使金屬零件工作表面形成殘余壓應力層。
[0007]進一步地，所述預處理階段，包括以下步驟:
1)清洗探傷:采用有機溶劑清洗待修復零件，去除零件表面油污、污漬，并采用無損探傷技術檢測裂紋等缺陷的尺寸位置；
2)打磨:零件表面機械拋光，并對裂紋等缺陷部位打磨出坡口； 3)圖像識別:使用圖像識別設備掃描零件，獲得零件的三維圖像；
4)三維模型:利用計算機軟件根據三維圖像建立零件的三維CAD模型；
5)模型比對:利用計算機軟件比對建立的三維CAD模型和零件原設計圖紙的三維模型，確定零件的修復部位和修復量。
[0008]進一步地，所述3D打印修復階段，包括以下步驟:
1)預熱:利用激光束掃描零件修復部位，使修復部位材料表面發生淺層熔化，使修復部位的疲勞微裂紋融合；
2)涂布融覆材料:向預熱后的修復部位噴涂融覆劑，融覆劑附著在預熱部位后受預熱部位預熱作用，融覆劑中的有機溶劑蒸發，金屬粉末固著在零件修復部位表面；
3)激光融覆:利用激光束掃描融覆層材料，使固著在修復部位的融覆層金屬粉末材料與底層材料融合；
4)圖像識別:使用圖像識別設備掃描零件，獲得零件的三維圖像；
5)三維模型:利用計算機軟件根據三維圖像建立修復部位的三維CAD模型；
6)模型比對:利用計算機軟件比對修復部位的三維CAD模型和零件原設計圖紙的三維模型，確定修復部位的剩余修復量。
[0009]7)重復步驟2-6，直至修復部位尺寸達到零件原設計尺寸。
[0010]進一步地，所述應力控制階段包括如下步驟:
1)對零件修復部位進行激光沖擊，使零件表面的殘余拉應力釋放，從而消除零件表面的殘余拉應力；
2)對零件的整個表面進行激光沖擊強化，對于零件未進行激光融覆的部位，采用材料制備階段根據本體試樣試驗確定的激光參數進行激光沖擊強化，對于融覆部位則采用材料制備階段根據融覆試樣確定的激光參數進行沖擊強化。
[0011]進一步地，所述金屬零件本體試樣的制備是指選取與零件本體材料相同的金屬材料，用常規金屬加工方法制成一定尺寸的本體試樣；所述融覆試樣的制備是指用融覆劑采用激光3D打印方法制成的一定尺寸的融覆試樣。所述融覆劑是將混合金屬粉末與有機溶劑混合，混合后采用超聲振動形成均勻的懸濁液，混合金屬粉末是根據零件本體材料化學組成成分，利用相應的金屬粉末進行混合制成。
[0012]本發明的有益效果是:使用激光3D打印進行了解修復，熱影響區小，零件整體變形不大，且零件修復的尺寸精度易于控制，不需后續加工；使用與本體材料成分相同的融覆材料，修復后的零件整體強度相同，在使用激光沖擊強化后零件表面強化層的殘余壓應力值保持均衡，使零件整體具有相同的抗疲勞壽命，保證零件的整體強度均衡，達到提高零件再制造后使用壽命延長，節約設備的運行成本。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發明一種金屬零件應力控制3D打印再制造方法，包括材料準備階段:制備金屬零件本體試樣和融覆試樣，并用激光沖擊進行試樣應力試驗，獲得相同殘余壓應力所需的激光參數；
預處理階段:對待修復金屬零件進行預處理，使其表面達到修復要求，并利用圖像識別方法確定零件修復區域和修復余量；
3D打印修復階段:將預處理后的待修復金屬零件安裝在激光3D打印機上，利用激光3D打印機逐層融覆修復金屬零件，使修復部位尺寸達到零件原設計尺寸；
應力控制階段:修復完成后，使用激光沖擊消除修復部位及其附近區域的殘余拉應力，然后利用激光沖擊強化方法，使金屬零件工作表面形成殘余壓應力層。
[0015]下面結合圖1，以0Crl3Ni4M0材料的水輪機葉片裂紋修復為例，說明本發明一種金屬零件應力控制3D打印再制造方法的實施過程。
[0016]本實施例要求修復后的葉片表面殘余壓應力幅值在20_30MPa之間。
[0017]1、材料制備階段:
1)本體試樣制備:用0Crl3Ni4M0不銹鋼板材加工成厚度為10mm，寬度為20mm，長度為150mm的本體試樣；
2)金屬粉末制備:將粒度為2-5微米的鐵粉、Cr粉、Ni粉、Mo粉按鐵粉82%、Cr粉13%、Ni粉4%、Mo粉0.6%的比例混合均勻；
3)融覆劑制備:將混合金屬粉末與有機溶劑環氧樹脂按固液比20%混合，混合后經超聲波振動形成混合均勻的懸濁液融覆劑；
4)采用激光3D打印方法制備出與本體試樣尺寸相同的融覆試樣；
5)沖擊試驗:以脈沖寬度23ns，激光光斑直徑1mm，激光能量從IJ開始，以0.5J幅度逐漸逐漸，在本體試樣和