一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法与流程

本发明涉及修复tc4钛合金锻梁表面缺陷的技术领域，具体的说，是一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法。

背景技术：

新型飞机大量采用长寿命、轻重量以及高生存力的结构设计，许多新材料和新工艺得到了快速发展。尤其是钛合金材料，凭借其高比强度、较宽的工作温度范围以及优异的抗腐蚀性能在金属构件制造领域得到了大规模应用。大型钛合金整体化构件的应用大幅度地减少了零件数量和机械连接，有效地减轻了结构重量，提高了结构寿命，显著地提高了产品质量。

但是大型钛合金整体化构件，尤其是tc4钛合金锻梁构件，在加工过程中，出现重大超差时，由于加工周期以及制造成本的压力，处理起来很棘手，目前主要采用机械连接补强措施，往往需要付出较大的重量代价，而且大多数情况下由于结构空间的限制甚至无法采用机械连接补强的方式，从而导致零件的报废，这种情况通常可以造成上千万的损失。因此，发展一种可靠稳定、突破结构空间限制、维修周期短、经济实用性高的修复方法变得十分迫切。

钛合金锻梁表面缺陷修复的关键在于，其修复的外延生长组织满足各项性能测试指标，同时可以通过各种缺陷测试手段的验证以及实现表面形变量和表面粗糙度的可控。这就要求对损伤钛合金锻梁构件进行修复时，需对整个修复过程实现精确控制，对外延生长修复组织的晶粒尺寸大小、金相组织形貌、凝固裂纹、组织致密性、表面粗糙度以及尺寸精度实现可控。整个修复过程如果不能实现实时的精确控制就很容易造成修复的失效。因此，修复方法的可控性、精密性以及修复参数选择的合理性是钛合金锻梁表面缺陷修复成功的必要条件。

申请公布号：cn108505035a；发明名称：一种用于汽轮机末级叶片损伤件的振动熔覆修复工艺中公开一种振动熔覆修复工艺。

天津大学的硕士学位论文《钛合金激光熔覆加工工艺研究》（姓名：任治；专业：机械工程；指导教师：田延岭；日期：2011年12月），公开了钛合金激光熔覆加工技术的理论研究。

但是，上述公开的修复工艺，都无法在钛合金锻梁表面缺陷修复过程中对外延生长修复组织的晶粒尺寸大小、金相组织形貌、凝固裂纹、组织致密性、表面粗糙度、尺寸精度实现精确控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，精确控制形成熔覆修复层组织的过程，使得修复后钛合金锻梁构件不仅抗拉伸、抗冲击、抗断裂、抗疲劳的性能均满足要求，而且尺寸精度、表面形变量、表面粗糙度均符合验收标准。

本发明通过下述技术方案实现：一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，使用密封腔中安装有机床、激光器、送粉器的激光熔覆送粉设备对钛合金锻梁上存在表面缺陷的缺陷区域进行修复。

一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1：查看钛合金锻梁构件的缺陷区域，若缺陷区域较为平整则直接用丙酮仔细擦洗修复区域，若缺陷区域不平整则先通过机械切除使缺陷区域平整光滑再用丙酮仔细擦洗修复区域；

步骤2：将丙酮擦洗后的待修复的钛合金锻梁构件放入激光熔覆送粉设备中，调节激光熔覆送粉设备的操作箱使激光熔覆送粉设备中的待修复的钛合金锻梁构件处于氧含量低于100ppm的氩气氛围中；

步骤3：调整激光器的激光光束和待修复的钛合金锻梁构件的位置，使其辐照在修复区域处钛合金锻梁构件的基材表面，并且调节激光光束的焦点高于钛合金锻梁构件的基材表面；

步骤4：设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；设定送粉器的送粉数值、激光器的输出功率数值；

步骤5：先开启送粉器后开启激光器，送粉器跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在钛合金锻梁构件的基材表面形成熔覆修复层组织，待首层的熔覆修复工作完毕，关闭激光器；根据步骤4中设定的机床的调整位移，先向上提升激光器的激光头，然后再次先开启送粉器后开启激光器，送粉器跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在首层的熔覆修复层组织上继续进行第二层的熔覆修复工作；以此类推进行逐层修复，直到熔覆修复层组织满足熔覆修复要求后再终止熔覆修复操作；

步骤6：熔覆修复操作完成以后，把不符合尺寸精度要求的熔覆修复组织的顶端部分切除，得到一个符合尺寸精度要求的修复组织；此时修复工作结束。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述钛合金锻梁构件为tc4钛合金锻梁构件。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤3中，调节激光光束的焦点高于钛合金锻梁构件的基材表面0.8cm-1.3cm。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤4中，根据缺陷区域的尺寸、形状设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；以机床的xyz三轴系统为基础，扫描速度指机床上激光头在x轴方向移动的扫描速度参数，运行轨迹对应机床上激光头在xy平面的运行轨迹参数，调整位移指机床上激光头在y轴方向的侧向位移参数、机床上激光头在z轴方向的单层提升参数。

即，机床上激光头在x轴方向的移动对应单道激光熔覆加工操作，机床上激光头在y轴方向的移动对应每道激光熔覆加工操作完成以后侧向移动操作，覆盖缺陷区域形状的多道激光熔覆加工操作为单层激光熔覆加工，机床上激光头在z轴方向的移动对应单层激光熔覆加工操作完成以后的单层提升操作。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤4中，所述机床的扫描速度参数为5mm/s-12mm/s，机床的侧向位移参数为500μm-800μm，机床的单层提升参数为150μm-400μm。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤4中，所述送粉器的送粉数值为20g/min。

为了更好的实现本发明，进一步地，所述步骤4中，所述激光器的输出功率数值范围为500w-1500w。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明中激光熔覆方法具有操作自动化和可视化程度高、修复组织致密性好以及修复组织力学性能优异的优点，可以使得修复的钛合金锻梁构件满足各种测试分析的标准。

（2）本发明中激光熔覆方法的精度可以控制在微米量级，可以实现对修复组织的尺寸精度、表面粗糙度的精确控制，极大地提升了修复组织的修复有效性。

附图说明

图1为钛合金锻梁构件表面缺陷示意图。

图2为激光熔覆修复过程示意图，

其中，图2（a）为待修复的钛合金锻梁构件放置在构件放置平台状态示意图。

图2（b）为激光器、送粉器协作完成熔覆修复的示意图。

图3为熔覆修复层组织的金相组织图。

图4为熔覆修复层组织的尺寸以及外表面粗糙度展示图。

其中，图4（a）为修复后钛合金锻梁构件仰面示意图。

图4（b）为修复后钛合金锻梁构件主示意图。

其中，1-tc4钛合金锻梁构件；001-构件放置平台；002-夹持装置；003-激光器；004-送粉器。

具体实施方式

实施例1：

一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，使用密封腔中安装有机床、激光器003、送粉器004的激光熔覆送粉设备对钛合金锻梁构件上存在表面缺陷的缺陷区域进行修复，包括以下步骤：

步骤1：查看钛合金锻梁构件的缺陷区域，若缺陷区域较为平整则直接用丙酮仔细擦洗修复区域，若缺陷区域不平整则先通过机械切除使缺陷区域平整光滑再用丙酮仔细擦洗修复区域；

步骤2：将丙酮擦洗后的待修复的钛合金锻梁构件放入激光熔覆送粉设备中，调节激光熔覆送粉设备的操作箱使激光熔覆送粉设备中的待修复的钛合金锻梁构件处于氧含量低于100ppm的氩气氛围中；

步骤3：调整激光器003的激光光束和待修复的钛合金锻梁构件的位置，使其辐照在修复区域处钛合金锻梁构件的基材表面，并且调节激光光束的焦点高于钛合金锻梁构件的基材表面；

步骤4：设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；设定送粉器004的送粉数值、激光器003的输出功率数值；

步骤5：先开启送粉器004后开启激光器003，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在钛合金锻梁构件的基材表面形成熔覆修复层组织，待首层的熔覆修复工作完毕，关闭激光器003；根据步骤4中设定的机床的调整位移，先沿z轴方向提升激光器003的激光头，然后再次先开启送粉器004后开启激光器003，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在首层的熔覆修复层组织上继续进行第二层的熔覆修复工作；以此类推进行逐层修复，直到熔覆修复层组织满足熔覆修复要求后再终止熔覆修复操作；

步骤6：熔覆修复操作完成以后，把不符合尺寸精度要求的熔覆修复组织的顶端部分切除，得到一个符合尺寸精度要求的修复组织；此时修复工作结束。

实施例2：

本实施例中详细说明一种对tc4钛合金锻梁构件1表面缺陷进行激光熔覆修复的方法，使用密封腔中安装有机床、激光器003、送粉器004的激光熔覆送粉设备对钛合金锻梁构件上存在表面缺陷的缺陷区域进行修复。

激光熔覆修复tc4钛合金锻梁表面缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1：查看钛合金锻梁构件的缺陷区域，若缺陷区域较为平整则直接用丙酮仔细擦洗修复区域，若缺陷区域不平整则先通过机械切除使缺陷区域平整光滑再用丙酮仔细擦洗修复区域。

步骤2：将丙酮擦洗后的待修复的钛合金锻梁构件放入激光熔覆送粉设备中，调节激光熔覆送粉设备的操作箱使激光熔覆送粉设备中的待修复的钛合金锻梁构件处于氧含量低于100ppm的氩气氛围中。

步骤3：调整激光器003的激光光束和待修复的钛合金锻梁构件的位置，使其辐照在修复区域处钛合金锻梁构件的基材表面，并调节激光光束的焦点高于钛合金锻梁构件的基材表面0.8cm-1.3cm。

步骤4：根据缺陷区域的尺寸、形状设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；设定送粉器004的送粉数值、激光器003的输出功率数值；

具体是指：

激光头沿x轴进行扫描移动，扫描速度5mm/s-12mm/s；

激光头沿y轴进行单道激光熔覆完成后侧向移动，侧向位移参数500μm-800μm；

激光头沿z轴进行单层激光熔覆完成后提升移动，单层提升参数150μm-400μm；

送粉器004的送粉数值为20g/min；

激光器003的输出功率数值为500w-1500w。

步骤5：先开启送粉器004后开启激光器003，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在钛合金锻梁构件的基材表面形成熔覆修复层组织，待首层的熔覆修复工作完毕，关闭激光器003；根据步骤4中设定的机床的调整位移，先沿z轴方向提升激光器003的激光头，然后再次先开启送粉器004后开启激光器003，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在首层的熔覆修复层组织上继续进行第二层的熔覆修复工作；以此类推进行逐层修复，直到熔覆修复层组织满足熔覆修复要求后再终止熔覆修复操作。

步骤6：熔覆修复操作完成以后，把不符合尺寸精度要求的熔覆修复组织的顶端部分切除，得到一个符合尺寸精度要求的修复组织；此时修复工作结束。

本实施例的其他部分与上述实施例均相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在实施例1或2的基础上，以一具有表面缺陷的tc4钛合金锻梁构件1进行激光熔覆修复方法的具体说明。

如图1所示，tc4钛合金锻梁构件1上的表面缺陷向内部延伸，表面缺陷的长度为10mm，宽度为5mm，深度为1mm。本发明可以对这类表面缺陷进行修复。修复后tc4钛合金锻梁构件1需要满足拉伸、冲击、断裂、疲劳测试等各项性能测试，还需要保证整体构件的尺寸精度、表面形变量以及表面粗糙度等各方面的测试参数符合验收标准。

一种对tc4钛合金锻梁构件1表面缺陷进行激光熔覆修复的方法，使用密封腔中安装有机床、激光器003、送粉器004的激光熔覆送粉设备对tc4钛合金锻梁构件1上存在表面缺陷的缺陷区域进行修复。

激光熔覆修复tc4钛合金锻梁构件1表面缺陷的方法，包括以下步骤：

步骤1：查看tc4钛合金锻梁构件1的缺陷区域，缺陷区域不平整，按照图1中虚线所示位置，机械切除缺陷区域不平整部分以构建一个平整的修复区域，切除厚度为2mm；再用丙酮清洗修复区域，清除表面污垢，避免对后面修复工作造成影响。

步骤2：如图2(a)所示，将步骤1中丙酮擦洗后的待修复的tc4钛合金锻梁构件1放置于密封腔内的构件放置平台001上并且由两端夹持装置003进行固定，调节氩气密封氛围使氧含量低于100ppm。

步骤3：如图2(a)、图2(b)所示，调整激光器003的激光光束和待修复的tc4钛合金锻梁构件1的位置，使其辐照在修复区域处tc4钛合金锻梁构件1的基材表面，并调节激光光束的焦点高于tc4钛合金锻梁构件1的基材表面0.8cm-1.3cm。

步骤4：根据缺陷区域的尺寸、形状设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；设定送粉器004的送粉数值、激光器003的输出功率数值。

送粉器004的送粉数值为20g/min；采用的是铂力特生产的tc4钛合金粉末；

激光器003的输出功率数值为800w。

步骤5：先开启送粉器004后开启激光器003，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在tc4钛合金锻梁构件1的基材表面形成熔覆修复层组织，激光头以扫描速度8mm/s沿x轴进行扫描移动；单道激光熔覆完成后，激光头沿y轴侧向位移750μm进行侧向移动；与xy平面平行的平面内多道激光熔覆共同形成一层激光熔覆；每层激光熔覆完成后，激光头沿z轴单层提升200μm进行提升移动。一层一层的逐层修复，最终获得了40mm×30mm×4mm的有效修复的激光熔覆层组织。

如图3所示，修复完成后熔覆修复层组织的金相组织图；如图4所示，修复完成后熔覆修复层组织的外表面粗糙度示意图。

步骤6：熔覆修复操作完成以后，把不符合尺寸精度要求的熔覆修复组织的顶端部分切除，得到一个符合尺寸精度要求的修复组织；此时修复工作结束。

本实施例中激光熔覆送粉技术具有可以建立高温度梯度的优势，其本身具有的传热特征为至上而下，因此外延生长组织的增长方式自下而上，整个修复组织生长过程中其液相组织始终和底部已经凝固的固相组织接触，提供了良好的外延组织生长环境。因此选择合理的激光参数就可以实现外延生长修复组织的延续性生长，实现对金相组织结构、晶粒尺寸、凝固裂纹以及组织致密性的可控。激光熔覆送粉技术的精度为微米级，可以实现对修复组织尺寸精度以及表面粗糙度的精确控制。另一方面激光熔覆送粉技术的可视化程度高，可以实现适时精确调控，粉末利用率大幅度提高，有效的降低了修复成本。除此之外，激光熔覆送粉技术还可以突破传统修复技术的结构空间限制，可以完成不同量级的空间结构的修复操作。基于激光熔覆送粉技术的以上优势，通过选取合理的技术参数，就可以实现对修复组织的各项性能的精确调控，并最终完成对缺陷tc4钛合金锻梁构件1的修复工作。

本实施例的其他部分与上述实施例均相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在实施例1的基础上，进一步优化结构。

一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，按以下步骤进行：

步骤(1)对于存在表面缺陷的钛合金锻梁构件，首先对其存在缺陷的区域进行机械切除构建一个平整光滑的修复区域，如果缺陷区域较为平整此步骤可以省略，用丙酮将修复区域仔细擦洗；

步骤(2)将需要修复的钛合金锻梁构件放置在激光熔覆送粉设备操作箱所构建的氧含量低于100ppm的氩气氛围中；

步骤(3)调整激光器003激光束使其辐照在基材表面指定位置，并且调节激光光束的焦点略高于基材表面。此时调整好激光器003操作机床的参数：扫描速度以及运行轨迹；

步骤(4)调节送粉器004的送粉量，设定送粉数值并且开始送粉；

步骤(5)设定激光器003功率数值并且开启激光器003，使其按照给定的数据进行激光熔覆加工操作，同轴送粉器004跟随激光头同步移动，待首层熔覆修复完毕，关闭激光器003，根据机床的既定数据，激光头z轴进行提升，然后再次开启激光器003，开始第二层的熔覆修复工作，以此类推进行逐层修复，直到熔覆修复层组织满足给定要求后再终止熔覆操作；

步骤(6)熔覆修复操作完成以后，对熔覆修复组织的顶端部分需要进行一个切除工作，把不符合尺寸精度要求的顶端部分切除，进而得到一个性能优异的修复组织。此时修复工作结束。

所述修复材料为tc4钛合金锻梁构件1材料。

所述激光熔覆修复过程中，调节激光功率、扫描速度为合理数值，使修复组织的晶粒尺寸大小适中、金相组织结构优异、组织内部致密性良好、无裂纹以及孔洞结构出现。

所述激光器003初始位置调节的时候，需要将激光束的焦点高于基材表面200μm左右，此时同轴送粉器004的粉末汇聚位置与激光束焦点重合。

所述同轴送粉器004送粉量需要在激光器003出光前进行设置，该数值根据不同的修复尺寸和修复形状会采用不同的数值。

所述每层熔覆修复操作完毕以后需要让激光器003的激光头在z轴方向有一个位移，然后再开始下一层的熔覆修复操作，z轴数值的选取根据不同的修复尺寸采取不同的数值。

本实施例的其他部分与上述实施例均相同，故不再赘述。

实施例5：

一种基于激光熔覆修复钛合金锻梁表面缺陷的方法，使用密封腔中安装有机床、激光器003、送粉器004的激光熔覆送粉设备对钛合金锻梁构件上存在表面缺陷的修复区域进行修复，包括以下步骤：

步骤1：查看钛合金锻梁构件的修复区域，若修复区域较为平整则直接用丙酮仔细擦洗修复区域，若修复区域不平整则先通过机械切除是修复区域平整光滑再用丙酮仔细擦洗修复区域；

步骤2：将丙酮擦洗后的待修复的钛合金锻梁构件放入激光熔覆送粉设备中，调节激光熔覆送粉设备的操作箱使激光熔覆送粉设备中的待修复的钛合金锻梁构件处于氧含量低于100ppm的氩气氛围中；

步骤3：调整激光器003的激光光束和待修复的钛合金锻梁构件的位置，使其辐照在修复区域处钛合金锻梁构件的基材表面的指定位置，并且调节激光光束的焦点高于钛合金锻梁构件的基材表面；

步骤4：设定机床的扫描速度、运行轨迹、调整位移；设定送粉器004的送粉数值、激光器003的输出功率数值；

步骤5：先开启送粉器004后开启激光器003，使其按照给定的数据进行激光熔覆加工操作，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在钛合金锻梁构件的基材表面形成熔覆修复层组织，待首层的熔覆修复工作完毕，关闭激光器003；根据机床的既定数据，沿z轴方向提升激光器003的激光头，然后再次先开启送粉器004后开启激光器003，送粉器004跟随激光头沿运行轨迹同步移动并在首层的熔覆修复层组织上继续进行第二层的熔覆修复工作；以此类推进行逐层修复，直到熔覆修复层组织满足给定要求后再终止熔覆修复操作；

步骤6：熔覆修复操作完成以后，把熔覆修复组织的不符合尺寸精度要求的顶端部分切除，得到一个性能优异的修复组织；此时修复工作结束。

所述钛合金锻梁构件为tc4钛合金锻梁构件1。

所述步骤3中，调节激光光束的焦点高于钛合金锻梁构件的基材表面0.8cm-1.3cm。

所述步骤4中，机床的扫描速度的数值范围为5mm/s-12mm/s，根据修复区域的尺寸和形状设定运行轨迹x轴的数值范围和侧向位移y轴的数值范围，每道激光熔覆加工操作完成以后，侧向位移y轴的数值范围为500μm-800μm，z轴单层提升数值范围为150μm-400μm，具体数值根据不同的材料会有所不同。

所述步骤4中，送粉器004的送粉数值为20g/min。

所述步骤4中，激光器003的输出功率数值范围为500w-1500w。

本实施例的其他部分与上述实施例均相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。