表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法

1.本公开涉及结构修复后的力学性能评估技术领域，具体而言，涉及一种表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法。


背景技术：

2.表面损伤是一种常见的结构损伤形式。在实际服役过程中，各种结构由于受到腐蚀、疲劳和冲击等载荷的影响，容易在表面形成磨损和裂纹等形式的损伤。表面损伤对结构的性能存在一定的影响，如果不及时处理，损伤可能会扩大到内部，最终导致整个部件结构破坏而失效，严重影响结构的使用寿命。
3.目前主要采用激光熔覆技术在损伤部位形成熔覆层，以消除表面损伤，但是修复后的结构虽然消除了表面的裂纹或磨损，但是无从得知修复后的结构力学性能是否符合部件的应用需求。
4.需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

5.本公开的目的在于克服现有修复后力学性能评估技术的不足，提供一种表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法，可为表面损伤后结构修复的力学性能评估提供基础数据，为结构表面损伤修复提供理论依据。
6.根据本公开的一个方面，提供一种表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法，包括：
7.对参考试验件预设区域的表面进行损伤处理，形成损伤试验件；
8.去除所述损伤试验件的表面损伤区域的材料，形成待修复区域；
9.采用激光熔覆工艺在所述待修复区域上形成熔覆层，以形成修复后试验件；
10.分别测试所述参考试验件、所述损伤试验件及所述修复后试验件的力学性能参数，并在所述修复后试验件的力学性能参数处于所述参考试验件的力学性能参数的偏差范围内时，判定修复成功。
11.在本公开的一种示例性实施例中，所述力学性能参数包括弹性极限、弹性模量、屈服强度、强度极限及疲劳极限。
12.在本公开的一种示例性实施例中，所述参考试验件包括沿预设方向依次连接的第一夹持端、试验段和第二夹持端，且所述第一夹持端、所述试验段及所述第二夹持端为一体式结构。
13.在本公开的一种示例性实施例中，所述对参考试验件预设区域的表面进行损伤处理，形成损伤试验件包括：
14.采用磨棒在所述试验段磨出至少一凹部，所述凹部的两侧贯通于所述试验段垂直于所述预设方向的两端。
15.在本公开的一种示例性实施例中，所述对参考试验件的预设区域的表面进行损伤处理，形成损伤试验件还包括：
16.在所述试验段平行于所述预设方向的一端切出一裂缝，所述裂缝垂直于所述预设方向。
17.在本公开的一种示例性实施例中，在所述修复后试验件的力学性能参数处于所述参考试验件的力学性能参数的偏差范围内时，判定修复成功包括：
18.计算所述修复后试验件的力学性能参数与参考试验件的力学性能参数的差值的绝对值；
19.计算所述差值的绝对值占所述参考试验件的力学性能参数的百分比；
20.在所述百分比小于或等于10％时，判定修复成功。
21.在本公开的一种示例性实施例中，所述采用激光熔覆工艺在所述待修复区域上形成熔覆层，以形成修复后试验件包括：
22.通过试验夹具将所述损伤试验件固定于熔覆台上；
23.采用激光扫描所述待修复区域；
24.将熔覆材料添加至所述待修复区域；
25.采用激光扫描所述熔覆材料和所述修复区域，形成熔覆层。
26.在本公开的一种示例性实施例中，所述试验夹具包括：
27.垫板，用于支撑所述试验件；
28.基板，设于所述垫板远离所述试验件的一侧，并具有多排沿所述预设方向设置的定位孔，且各所述定位孔均位于所述垫板两侧；
29.压板，可拆卸地设置于所述垫板远离所述基板的一侧，且沿垂直于所述预设方向的方向延伸；
30.多个螺钉，与各所述定位孔一一对应设置，并可拆卸的穿设于所述压板及所述定位孔。
31.在本公开的一种示例性实施例中，所述压板的数量为多个，且各所述压板沿所述预设方向等间距间隔设置。
32.在本公开的一种示例性实施例中，所述参考试验件呈哑铃型。
33.本公开的表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法，可通过激光熔覆工艺对损伤试验件进行修复，进而消除损伤试验件的表面损伤，延长试验件使用寿命，还可通过分别检测参考试验件、损伤试验件及修复后试验件的力学性能参数，将修复后试验件的力学性能参数与损伤试验件的力学性能参数进行对比，从而判断修复后试验件相对于损伤试验件力学性能有无改善，为试验件修复工艺是否合适提供理论基础；同时，可以将修复后试验件的力学性能参数与参考试验件的力学性能参数进行对比，验证修复后试验件在实际应用中是否能达到力学性能需求，为表面损伤后结构修复的力学性能评估提供基础数据，进而为实际应用中各结构表面损伤进行修复提供理论依据，避免频繁更换部件，节约成本。
34.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
35.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1为本公开实施方式表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法的流程图。
37.图2为本公开实施方式损伤试验件的示意图。
38.图3为图1中步骤s130的流程图。
39.图4为激光熔覆原理示意图。
40.图5为本公开实施方式试验夹具的结构示意图。
41.图中：1、垫板；111、待修复区域；2、基板；3、压板；4、螺钉；100、损伤试验件；200、激光器；300、送粉装置；400、控制装置。
具体实施方式
42.现在将标准附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
43.此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。用语“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。用语“第一”和“第二”仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
44.本公开实施方式提供了一种表面损伤修复后试验件的力学性能的评估方法，如图1所示，该评估方法可以包括：
45.步骤s110，对参考试验件预设区域的表面进行损伤处理，形成损伤试验件；
46.步骤s120，去除所述损伤试验件的表面损伤区域的材料，形成待修复区域；
47.步骤s130，采用激光熔覆工艺在所述待修复区域上形成熔覆层，以形成修复后试验件；
48.步骤s140，分别测试所述参考试验件、所述损伤试验件及所述修复后试验件的力学性能参数，并在所述修复后试验件的力学性能参数处于所述参考试验件的力学性能参数的偏差范围内时，判定修复成功。
49.本公开的表面损伤修复后材料力学性能的试验评估方法，可通过激光熔覆工艺对损伤试验件进行修复，进而消除损伤试验件的表面损伤，延长试验件使用寿命，还可通过分别检测参考试验件、损伤试验件及修复后试验件的力学性能参数，将修复后试验件的力学
性能参数与损伤试验件的力学性能参数进行对比，从而判断修复后试验件相对于损伤试验件力学性能有无改善，为试验件修复工艺是否合适提供理论基础；同时，可以将修复后试验件的力学性能参数与参考试验件的力学性能参数进行对比，验证修复后试验件在实际应用中是否能达到力学性能需求，为表面损伤后结构修复的力学性能评估提供基础数据，进而为实际应用中各结构表面损伤进行修复提供理论依据，避免频繁更换部件，节约成本。
50.下面对本公开实施方式评估方法的各步骤进行详细说明：
51.如图1所示，在步骤s110中，可对参考试验件预设区域的表面进行损伤处理，形成损伤试验件。
52.参考试验件可呈板状，也可呈块状，当然，还可以呈其他形状，其材料可以是金属、合金或钢材等，举例而言，可以是镍基合金材料，例如，其可以是镍基单晶高温合金材料，当然，还可以是其他材料，在此不对参考试验件的形状和材料做特殊限定。
53.在一实施方式中，参考试验件可呈板状，举例而言，其可成条形，并可沿预设方向延伸，且可以包括沿预设方向依次连接的第一夹持端、试验段和第二夹持端，且参考试验件的试验段垂直于预设方向的宽度可小于第一夹持端和第二夹持端垂直于预设方向的宽度，且试验段可与第一夹持端通过过渡圆角连接，同时，试验段也可与第二夹持端通过过渡圆角连接。举例而言，参考试验件可呈哑铃型。
54.在一实施方式中，第一夹持端、试验段和第二夹持端可为一体式结构，当然，第一夹持端、试验段和第二夹持端也可以通过焊接、粘接、卡接或螺栓连接等其他方式连接，在此不对第一夹持端、试验段和第二夹持端的连接方式做特殊限定。
55.可对参考试验件上的预设区域的表面进行损伤处理，形成损伤试验件，如图2所示。预设区域可以是参考试验件试验段表面的任一位置，其可以位于参考试验件的中部，也可以位于试验段的其他部位，在此不做特殊限定。在一实施方式中，预设区域可位于参考试验件的中部，具体而言，预设区域可位于参考试验件的试验段，可对预设区域进行损伤处理，用以模拟部件在实际应用中产生的磨损或裂纹等表面损伤。举例而言，可采用磨棒在参考试验件的试验段磨出至少一凹部，该凹部的两侧可贯通于试验段垂直于预设方向的两端。还可在试验段平行于预设方向的一端切出一裂缝，该裂缝可垂直于预设方向。
56.如图1所示，在步骤s120中，可去除损伤试验件的表面损伤区域的材料，形成待修复区域。
57.可通过机械加工去除损伤试验件11的表面损伤区域的材料，以形成待修复区域111。需要说明的是，表面损伤区域可以是经过损伤处理的区域，为了保证经过损伤处理的区域完全被去除，待修复区域111的面积可以略大于经过损伤处理的区域的面积，且去除经过损伤处理的区域的深度可至少略大于磨损的凹部的深度或裂缝的深度，当表面损伤同时包括磨损及裂缝时，待修复区域111的深度可大于或等于凹部深度及裂缝深度中的最大深度。待修复区域111中沿预设方向的截面可呈v型，也可呈u型，当然，还可呈其他形状，在此不做特殊限定。
58.如图1所示，在步骤s130中，采用激光熔覆工艺在待修复区域上形成熔覆层，以形成修复后试验件。
59.可在激光扫描待修复区域111的同时将熔覆材料添加至待修复区域111表面，使得激光可同时扫描并融化待修复区域111和熔覆材料，形成熔覆层；也可先将熔覆材料置于待
修复区域111表面，再进行激光扫描，进而可将熔覆材料和待修复区域111同时融化，从而形成熔覆层，熔覆层的材料可以与损伤试验件11的材料相同，举例而言，损伤试验件11及熔覆层的材料均可为镍基合金材料。当然，也可以是其他材料，在此不再一一列举。
60.如图3所示，步骤s130可以包括：
61.步骤s1301，通过试验夹具将所述损伤试验件固定于熔覆台上。
62.如图4所示，由于在激光修复过程中会产生大量的热堆积进而产生热应力，从而导致损伤试验件100弯曲变形，而变形后的试验件无法继续进行力学性能测试，因此，需采取外力强制干预的方法使损伤试验件100在修复过程中不变形。具体而言，可采用试验夹具将损伤试验件100固定于熔覆台上，使得损伤试验件100受到外力限制而无法变形。
63.如图5所示，试验夹具可以包括垫板1、基板2、压板3及多个螺钉4，其中：
64.垫板1可呈板状结构，也可呈块状结构，在此不做特殊限定，其可以是矩形，也可以是圆形、椭圆形或不规则图形，其材料可以是刚性材料，例如，可以是金属、合金或不锈钢材料，在此不对垫板1的形状和材料做特殊限定。垫板1可用于支撑试验件，在修复过程中可将损伤试验件100放置于垫板1上，垫板1可有多种厚度，可根据损伤试验件100的实际尺寸选择合适厚度及宽度的垫板1，以使损伤试验件100完全置于垫板1上，且损伤试验件100与激光器200的扫描装置的距离位于最佳扫描范围内。
65.基板2可呈板状，其可与垫板1的形状相同，其材料可以是金属、合金或不锈钢，当然，基板2还可以是其他材料，在此不再一一列举。基板2可设于垫板1远离试验件的一侧，其外周可凸出于垫板1的外周。举例而言，其可以是熔覆装置的熔覆台，并可具有多排沿预设方向设置的定位孔，且各定位孔均可位于垫板1两侧。举例而言，每排中定位孔的数量可以是多个，例如，其可以是2个、3个、4个、5个或6个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。此外，各排中相邻两排中定位孔均可相对设置，以便于在垫板1的两侧对垫板1进行定位，以使垫板1位于扫描装置正下方，从而使得损伤试验件100的待修复区域111位于扫描装置正下方。
66.压板3可呈板状结构，其可以是矩形、圆形、三角形或不规则图形，其材料可以是金属、合金或不锈钢等，在此不做特殊限定。压板3可拆卸地设置于垫板1远离基板2的一侧，且可沿垂直于预设方向的方向延伸。可用于对基板2上的损伤试验件100施加竖直方向的压力，避免损伤试验件100在竖直方向上变形。压板3的数量可为多个，举例而言，压板3可以是2个、3个、4个或5个，当然，还可以是其他数量，在此不再一一列举。多个压板3可沿预设方向等间距间隔设置，举例而言，可在损伤试验件100的端部和中分别设置压板3，以防止在修复过程中，损伤试验件100的端部或中部变形。
67.多个螺钉4可与各定位孔一一对应设置，并能可拆卸的穿设于压板3及定位孔。螺钉4的数量可与定位孔的数量相同，且可一一对应的穿设于各定位孔。举例而言，在修复损伤试验件100前，可将垫板1置于基板2上，并可露出各定位孔，还可将损伤试验件100置于垫板1远离基板2的一侧，并将待修复部位置于激光器200的扫描装置正下方，再将多个压板3分别覆盖于损伤试验件100的两个端部及中部，避免在焊接过程中损伤试验件100热变形，为了进一步防止在修复过程中损伤试验件100因应力作用而变形，可将螺钉4穿设于各压板3，并可与各定位孔螺纹连接，以将损伤试验件100牢固的固定于垫板1与压板3之间，还可通过螺钉4阻止损伤试验件100左右偏离。
68.步骤s1302，采用激光扫描所述待修复区域。
69.可将损伤试验件100的待修复部位至于激光器200的扫描装置下方，并与扫描探头正对设置，随后可采用激光器200扫描待修复区域111的表面，使得待修复区域111的表面融化，与此同时可通过控制装置400控制保护气体，使得保护气体作用于熔覆层的表面，避免熔覆层被其他杂质污染，该保护气体可以是惰性气体，例如，其可以是氦气或氮气。
70.步骤s1303，将熔覆材料添加至所述待修复区域。
71.熔覆材料可以与损伤试验件100的材料相同，举例而言，其可以是镍基单晶高温合金材料，当然，也可以是其他材料，在此不在一一列举。熔覆材料可以呈粉体，也可以是固体，在此不对熔覆材料的状态做特殊限定。以熔覆材料为粉体为例，可通过送粉装置300采用同步送粉的形式将熔覆材料添加至待修复区域111表面，具体而言，可采用同步送粉式激光熔覆工艺装置，在激光扫描融化待修复区域111表面的同时将粉体熔覆材料添加至待修复区域111表面。当然，也可以采用其他方式将熔覆材料添加至待修复区域111表面，在此不对熔覆材料的添加方式做特殊限定。
72.步骤s1304，采用激光扫描所述熔覆材料和所述修复区域，形成熔覆层。
73.可采用激光扫描装置的激光器200同时扫描熔覆材料和待修复区域111表面，可使得熔覆材料与待修复区域111同时融化，并可快速凝固，形成熔覆层。需要说明的是，可采用多层多道激光熔覆成型，具体而言，可采用单道熔覆多层搭接的方式进行熔覆。
74.如图1所示，在步骤s140中，可分别测试参考试验件、损伤试验件及修复后试验件的力学性能参数，并可在所述修复后试验件的力学性能参数处于所述参考试验件的力学性能参数的偏差范围内时，判定修复成功。
75.可分别测试参考试验件、损伤试验件100及修复后试验件的力学性能参数，从而可分别对参考试验件、损伤试验件100及修复后试验件的力学性能进行评估，为部件是否符合力学性能要求提供数据依据。具体而言，可将标准试验件的力学性能参数作为评估标准，可用于判断损伤试验件100是否已经不能达到实际工作状态对部件的力学性能要求的标准，当损伤试验件100的力学性能参数与标准试验件的力学性能参数相差较大时，可对损伤试验件100进行修复。同时，还可将修复后试验件的力学性能参数与标准试验件的力学性能参数进行比较，为修复后试验件是否符合力学性能要求提供数据支持。
76.在一实施方式中，力学性能参数可以包括弹性极限、弹性模量、屈服强度、强度极限及疲劳极限，当然，还可以包括其他参数，在此不做特殊限定。具体而言，可分别对标准试验件、损伤试验件100及修复后试验件进行静力拉伸试验，例如，使用静力试验机对试验件施加轴向载荷，直至试验件断裂，记录试验件在加载过程中的位置变化和两端载荷变化，绘制载荷位移曲线，还可根据各试验件的几何尺寸将各载荷位移曲线转化为应力应变曲线，通过分析应力应变曲线，即可得到试验件的弹性极限、弹性模量和屈服强度及强度极限。
77.还可通过疲劳试验获得各试验件的疲劳极限，具体而言，可确定一个应力谱，分别对标准试验件、损伤试验件100及修复后试验件施加相同的应力，使用疲劳试验机施加循环载荷直至各试验件断裂，分别记录各组实验中试验件断裂所加载的循环载荷次数，以此作为试验件的疲劳极限。
78.可将参考试验件的力学性能参数和修复后试验件的力学性能参数进行对比，并可在修复后试验件的力学性能参数处于参考试验件的力学性能参数的偏差范围内时，判定修
复后试验件完全修复。偏差范围可以是修复后试验件与参考试验件的力学性能参数的差值与参考试验件的力学参数的百分比的范围，该范围可以小于或等于10％，举例而言，其可以是2％、4％、6％、8％或10％，当然，还可以是其他数值，在此不做特殊限定。
79.在一实施方式中，可通过计算软件或计算程序计算修复后试验件的力学性能参数与参考试验件的力学性能参数的差值的绝对值，同时，可通过计算软件或计算程序计算该绝对值占参考试验件的力学性能参数的百分比，并在计算得到的百分比小于或等于10％时，可以判定修复成功。
80.需要说明的是，在力学性能参数包括多个参数时，每个参数的偏差范围可以相同也可以不同，在此不做特殊限定。举例而言，弹性极限的偏差范围可以是3％、弹性模量的偏差范围可以是5％、屈服强度的偏差范围可以是7％、强度极限的偏差范围可以是9％，疲劳极限的偏差范围可以是10％，当然，各参数也可以是其他偏差范围，在此不再一一列举。
81.需要说明的是，可根据修复后试验件的力学性能参数的数值及损伤试验件100的力学性能参数的数值判断修复后试验件相对于损伤试验件100，其力学性能提升了多少；还可将标准试验件的力学性能参数和修复后试验件的力学性能参数进行对比，从而判断修复后试验件相对于标准试验件，其力学性能是否能达到要求的工作强度。
82.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。