专利名称：一种链篦机关键零部件表面裂纹修复方法
技术领域：
本发明涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域，特指一种链篦机关键零 部件表面裂纹修复方法，尤其适用于关键件大面积大厚度材料的表面裂纹修复。
技术背景在先进制造技术中，激光冲击加工技术作为高能束的典型代表，是一种具有 良好前景的加工手段，其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作 用，利用强激光与物质作用所产生的高压冲击波来改善材料的机械性能，尤其是 裂纹疲劳寿命。这一技术已在机械工程、船舶、航空、微电子等各行各业中得到 了广泛应用。激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是材料表面改性技术的一种重要方法， 它是利用高能激光束(104 106W/cm2)在金属表面辐照，通过迅速熔化、扩展 和迅速凝固，冷却速度通常达到102 106K/s，在基材表面熔覆一层具有特殊物 理、化学或力学性能的材料，从而构成一种新的复合材料，以弥补机体所缺少的 高性能，这种复合材料能充分发挥两者的优势，弥补相互间的不足。与工业中常 用的堆焊、热喷涂和等离子喷焊等相比，激光熔覆有着下列优点1)熔覆热影 响区小，工件变形小，熔覆成品率高；2)层晶粒细小，结构致密，所以其硬度 一般相对比较高，耐磨损、耐腐蚀等性能也比较好；3)由于激光作用时间短(ns 级)，熔覆层稀释率低，机材的熔化量比较小，对熔覆层的冲淡率相对低(常规 为5% 8%)，因此可在熔覆层比较薄的情况下，获得所要求的成分和性能，从 而节约昂贵的覆层材料；4)高达10"C/s的冷却速度使凝固组织细化，甚至产 生新性能的组织结构，如亚稳相、超弥散相、非晶相等。金属结构件长寿命耐久性及其含微小裂纹材料修复问题已越来越成为当今 国际机械、材料、结构与力学领域十分关注并迅速发展的课题。链篦机是球团矿 料生产中的核心装备，为非标设计大型装备,其核心部件--运行链系统在常温至 105(TC的交变温度环境中长期运行。由于交变高温环境形成复杂的热膨胀和交变 热应力，导致耐热件服役寿命短，经过一定的使用周期后，不可避免地出现微小 裂纹。微小裂纹一旦产生就会顺势延伸，所以有必要在裂纹产生的初期就加以修 复，在现有技术中常用的方法是采用焊接修补的方法，由于这种消除裂纹方法只对金属表面起修补作用，对裂纹两侧壁体产生的牵引力很小，对引发裂纹后的内 部应力变化无改善作用，所以虽然修复初期有一定修复效果，但有效时间很短， 之后仍然会发生裂纹进一步加剧或重新产生新裂纹的情况。复合材料贴片修补损 伤金属结构件是一种可靠的低成本高效益结构补强延寿方法，但是其作用过程中 需要进行高温固化处理，且处理时间较长，工艺烦琐，不利于现场实时操作。所 以到目前为止大规模实际用于金属结构件维修再制造的技术很少，急需要发展新 的理论、工艺和技术，丰富金属结构件维修再制造技术，为人们制定最佳的维修 方案提供更多的选择范围。 发明内容本发明的目的是综合解决链篦机关键件材料的表面机械性能改性难题。提供 一种链篦机关键零部件材料表面裂纹修复方法。 本发明所采用的技术方案是一种链篦机关键零部件材料表面裂纹修复方法，是先根据链篦机关键零部 件表面裂纹情况，将裂纹打磨开口彻底去除裂纹，然后采用激光熔覆技术在裂纹 区进行激光熔覆，对激光熔覆修复后的链篦机关键零部件进行激光冲击处理。上述方法中所述开口大小为深度不超过链篦机关键零部件厚度的15%，宽 度以完全清除裂纹而基材损失最小为宜。上述方法中修复重熔材料采用与基体材料成分相近、热膨胀系数相当、焊接 性好的固溶强化或时效硬化的高温合金，性能优于被修复材料或同被修复材料相 近。上述链篦机关键零部件表面裂纹修复方法，其特征在于 (1)本发明在裂纹修复处理前在链篦机关键件材料处理部位都进行表面无损 检测，精确定位裂纹部位；然后用PT探伤全面检査链篦机轴颈部位正面和背面 并作出明显标记；接着对裂纹部位残余物清除，缺陷彻底清除干净后，对坡口的 表面渗碳氧化层用蘑菇头式砂轮机进行打磨；用PT探伤确认裂纹彻底清净后等 待激光熔覆处理；(2)激光熔覆的供给方为预置式激光熔覆。熔覆材料常以粉末的形式加入， 对于粉末类熔覆材料，采用热喷涂方法预置。熔覆后清除表面，用砂轮沿着表面 修磨圆滑处理部位；(3)激光冲击处理时，先在工件表面涂覆黑漆涂层，用水做保护层，对工件 易疲劳断裂区域特别是应力集中区域进行激光冲击处理。为解决链篦机裂纹熔覆 时所产生的热应力问题，主要是对熔覆部分进行激光冲击处理，利用激光冲击产 生的残余压应力使得其表面为残余压应力，该方法有效地防止了激光熔覆修复后 的应力变形和二次裂纹的产生。本发明在裂纹激光熔覆后采用激光冲击处理，以更好的消除激光熔覆修复后 的界面应力和冷却产生的收縮应力，同时也消除大部分熔覆区基体受热冷却形成 的热应力，使得激光熔覆修复区处于一种低应力或压应力状态，修复方法易掌握， 可靠性好。该方法的根据是存在于激光熔覆后裂纹区内的热应力，大部分是通过组织 和结构的变形以及裂纹形式表现出来；而激光冲击处理通过金属组织的变形可以 改变其应力状态，这样就可以实现熔覆后熔覆区呈现低应力或压应力状态，完全 不需要传统方法的额外加热和加强筋等措施。本发明的优点如下工艺方法简单，不需真空和预热，对链篦机关键零部件 基材损伤小，实现了链篦机关键零部件表面裂纹的无损修复，降低了修理成本。 这项技术不仅可以应用于球团链篦机的关键零部件的裂纹修复处理，还可以用于 要求高耐磨、抗高蚀、易疲劳、微变形的各种钢、铁及铁基粉末冶金零件表面裂 纹修复。用该工艺方法修复的链篦机关键零部件小轴已通过500时长台架试车考 核。(1) 该方法产生残余应力属于低温残余应力，激光冲击形成的残余应力层深 度比机械喷丸深约IO倍左右，其残余应力在球团链篦机运行过程中不易产生热 应力释放。(2) 可满足工件的多种性能要求这种裂纹修复处理方法不仅能对球团链篦 机的关键零部件表面强化改性处理，而且适用于于球团链篦机其它结构件，提高 工件耐磨性、减摩性、抗咬合性、抗疲劳性及耐腐蚀性，所以工件的疲劳寿命大 大提高。(3) 该复合处理后材料表面的变形很小，不影响材料心部性能。激光熔覆处 理温度低(520 580°C)，激光冲击金属表面时，由于激光冲击的时间极短(ns 量级)，工件几乎没有受到热影响，其表面温度仅在12(TC左右，故激光冲击处理主要是利用其高压力学效应而非热效应，从而可将激光冲击处理工艺归为冷加工 工艺。复合处理后工件基本不变形、外观均匀、美丽、可作为产品最终处理。(4)该复合处理技术简单快捷、效率高，生产维护成本低处理时间短(30min 5h)可实现连续化作业，保证了产品生产的高效率。
图1是零件表面裂纹修复方法路线图 图2是激光熔覆显微硬度分布曲线具体实施方式
实施例选用链篦机小轴做表面裂纹修复试验，修复流程如图l所示。实验材料12CrMoV，先对链篦机小轴表面进行表面裂纹检测，在被测工件表面安装 两个涡流传感器，通过检测出的传感器信号确定零件表面裂纹的具体部位，确定 激光熔覆处理部位。宽带激光熔覆试验采用NEL-2000A快速轴流工业C02激光器，激光输出光束为多 阶模，输出功率为2500W,扫描速度为2 mm/s,光斑尺寸为15鹏X2咖，焦距315,, 在基材表面预置粉末,厚度约为115mm,激光在预置粉末上进行单道扫描，所形成 的熔覆层厚度约为lmm。在垂直于扫描速度的方向切割样品，磨光并抛光,用专用 腐蚀剂进行腐蚀。对于激光熔覆后的试样，再采用激光冲击来提高材料表面的力学性能，实验 在江苏大学强激光实验室的高功率强激光钕玻璃激光器(Nd:Glass)上进行。激 光冲击强化过程中，当激光输出波长为1.054nm，输出激光的脉冲宽度(FWHM) 为22.1ns，激光脉冲能量约为35J时，脉冲激光1经过光学镜片2聚焦后，光斑汇聚 在链篦机链节部位3处，经过激光冲击强化(两次激光冲击)，再对其表面无损检 测，检测其表面力学性能，并与处理前对比，发现链篦机链节热疲劳寿命大大延 长，裂纹萌生时的循环次数由原来的15000次循环延长到35000次左右，从而极大 地提高了疲劳寿命。图2为熔覆层一结合区一基材显微硬度分布曲线。由图2可知,在熔覆表层， 由于高能激光作用，造成合金元素的烧损，使表面硬度较低；由表及里约0.7mra 处，硬度明显升高，这是由于熔覆层中结晶析出的碳化物和金属间化合物等数量变化不大所致。在结合区域，显微硬度最高达到了550HV，这是由于在高能激光作用下，结合 区发生激光淬火，产生马氏体组织。在接近基材处，硬度下降明显，原因是马氏 体数量逐渐减少所致。研究表明，硬度的大幅度提高除了与激光加工导致的组织致密性大幅度提高 有关外，还与激光加工导致的组织细化等其它组织变化有关。
权利要求
1.一种链篦机关键零部件表面裂纹修复方法，其特征在于先根据链篦机关键零部件表面裂纹情况，将裂纹打磨开口彻底去除裂纹，然后采用激光熔覆技术在裂纹区进行激光熔覆，对激光熔覆修复后的链篦机关键零部件进行激光冲击处理。
2. 按照权利要求1所述的链篦机材料裂纹修复方法，其特征在于所述开口大小 深度不超过链篦机关键零部件厚度的15%，宽度以完全清除裂纹而基材损失最小 为宜。
3. 按照权利要求1所述的链篦机材料裂纹修复方法，其特征在于修复重熔材料 采用与基体材料成分相近、热膨胀系数相当、焊接性好的固溶强化或时效硬化的 高温合金，性能优于被修复材料或同被修复材料相近。
全文摘要
一种链篦机关键零部件表面裂纹修复方法，涉及机械制造与材料处理加工应用技术领域。先根据链篦机关键零部件表面裂纹情况，将裂纹打磨开口彻底去除裂纹，然后采用激光熔覆技术在裂纹区进行激光熔覆，对激光熔覆修复后的链篦机关键零部件进行激光冲击处理，该发明的优点工艺方法简单，不需真空和预热，对链篦机关键零部件基材损伤小，实现了链篦机关键零部件表面裂纹的无损修复，降低了修理成本。
文档编号B23P6/00GK101403114SQ20081015505
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月24日 优先权日2008年10月24日
发明者任旭东, 冯爱新, 司乃潮, 强 吴, 张永康, 张西良, 朱圣财, 李伯全, 杨继昌 申请人:江苏宏大特种钢机械厂;江苏大学