高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法
【专利摘要】一种高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，包括四大块流程，第一，拆卸损伤刀具，室温下对其表面进行除油，除锈，并用丙酮清洗干净；然后进行表面无损检测，对表面裂纹损伤缺陷精确定位；第二，激光熔凝：在裂纹表面刷吸光材料，并进行恒温处理；有针对的对裂纹处进行激光熔凝修复处理，氦气侧吹保护激光熔凝部位；第三，离子注入：氩离子溅射清洗后干燥，然后进行低温离子注入，控制注入温度等参数；第四，刀具表面修整、表面层恢复，恢复剪切装备刀具表面原来的保护系统并进行表面无损检测。本发明充分结合了激光熔凝和低温离子注入处理的特点，避免了常用方法焊接变形，热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹等问题。
【专利说明】高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机械制造与材料处理加工应用【技术领域】，特指一种高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，尤其适用于高温疲劳条件下金属及合金材料表面有微细裂纹等缺陷修复，提高其疲劳寿命、耐磨性，高温持久强度等综合性能。
【背景技术】
[0002]激光恪凝(Laser Remelting)又称激光上釉。它是利用高能激光束在金属表面连续扫描，使表面薄层快速熔化，并在很高的温度梯度作用下，以105?10 7°C /s的速度快速冷却、凝固，从而使材料表面产生特殊的微观组织结构。激光熔凝所需的激光能量高，冷却快；表面的裂纹和缺陷可以通过熔化过程焊合，表层成分偏析减少，形成高度过饱和固溶体等亚稳定乃至非晶相，熔凝层组织非常细小，从而提高了材料的综合机械性能。避免了常用方法焊接变形，热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题。
[0003]离子注入技术是将加速到一定高能量的离子束注入固体材料表面层内，以改变表面层物理和化学性质的一种材料表面改性技术。其基本原理是:用能量为lOOkeV量级的离子束入射到材料中去，离子束与材料的原子或分子将发生一系列物理的和化学的相互反应，入射离子逐渐损失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、结构和性能发生变化，从而优化材料表面性能，或获得某些新的优异性能。
[0004]由于高温，高压等复杂多变的工况条件，例如航空航天、石油化工、动力机械行业，复杂的载荷和苛刻的工作环境对于设备的疲劳、蠕变、耐磨性等综合性能有着很大的影响，极容易出现零部件的裂纹和缺陷，严重影响了设备的安全稳定，造成了极大的安全隐患和经济损失。
[0005]本发明技术就是将激光熔凝技术和低温离子注入处理这两项技术相结合，通过各自所具备的的优点来弥补二者本身所存在的缺陷。损伤的零部件在经过激光熔凝修复之后再对其表面进行离子注入复合处理加工，一方面是在高温疲劳条件激光熔凝过程中所产生的残余压应力不会因此得到太大释放，维持了本身因激光熔凝这一修复方式所带来的高的高温疲劳寿命同时离子注入本身所带来的表面材料结构和成分的改变进一步提升了材料的综合性能。这是一项军民两用技术，在航空航天、汽车工业、石油化工、核工业等领域具有巨大的应用前景，在某些场合具有不可替代的作用，潜在数百亿至上千亿的市场。
[0006]申请号为201310326112.1的中国专利申请公开了一种金属铸件缺陷修补的工艺，通过熔化修复材料填补铸件缺陷，实现表面缺陷的快速修复。但利用表面修复材料在熔融状态下进行修复，一方面修复材料与基材的结合强度低，在随后的使用中可能发生脱落，甚至造成二次损伤，另一方面此方法对其修复后的材料硬度影响小，基本维持原材料硬度。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于解决高温工作环境下零部件不能满足超常服役，因此而引发的部件损伤的问题，提供一种高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法。对损伤零部件的修复及强化后，硬度、耐磨性等机械性能显著提高，延长零部件使用寿命，解决了工程实际应用的难题。
[0008]一种高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，先对微细裂纹进行激光熔凝修复处理，达到修复目的，再对其进行低温离子注入处理，综合改善材料的机械性能，大幅度提高材料的疲劳寿命。具体修复及强化工艺过程如下:
[0009]第1步:室温下对零件表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净，防止进入熔凝过程中夹杂物和缺陷，影响熔凝的质量和修复效果。
[0010]第2步:对零部件进行表面无损检测，精确定位损伤部位，主要采用无损探伤的方法，以检测零件表面细微裂纹的具体位置、形状、大小等。
[0011]第3步:裂纹表面刷增强吸收材料，吸收材料的选择并不单一，混用容易导致激光处理过程中产生化学反应，因此最好使用一种增强吸收材料，例如黑漆，并放置于200°C恒温箱中保温2h。
[0012]第4步:应用多功能数控激光器对裂纹部分进行激光熔凝修复，同时通氦气以保护激光熔凝部位。
[0013]第5步:对激光熔凝修复后零件表面进行抛光、丙酮清洗、干燥。
[0014]第6步:氩离子溅射，干燥。
[0015]第7步:离子注入。
[0016]第8步:对强化后的零件进行表面修整，使其达到表面质量要求。
[0017]第9步:恢复剪切零件表面原来的保护系统。
[0018]第10步:对修复件进行无损检测，直至修复完成。
[0019]本发明的技术方案在于充分结合了激光熔凝和低温离子注入处理的特点，避免了常用方法焊接变形，热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题。先对零件进行激光熔凝修复裂纹，使表面薄层基材快速熔化，并在很高的温度梯度作用下，以105?10 7V /s的速度快速冷却、凝固，从而使材料表面产生特殊的微观组织结构。熔凝层组织非常细小，从而提高了材料的综合机械性能；熔凝层中马氏体转变产生的压应力更大，提高了工件的抗疲劳，耐磨等性能。再对其进行低温离子注入，有效提高零件的强度，耐磨性以及疲劳寿命等机械性能。
[0020]本发明的优点如下:
[0021]1)激光熔凝可在缺陷部位形成致密的金属层，避免了传统修复方式易脱落、开裂的缺点，同时限制了残余压应力的释放，大幅度提高表面缺陷零部件强度和耐磨性等综合性能。
[0022]2)可满足工件的多种性能要求:这种复合处理方法不仅能对高温环境下零部件表面强化改性处理，而且适用于其它结构件，提高工件硬度、耐磨性、耐蚀性、疲劳强度。
[0023]3)该复合处理后零部件的变形很小。复合处理后工件基本不变形、外观均匀，可作为广品最终处理；
[0024]4)该复合处理技术环保性优异，没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明具体实施例的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0026]以刀具表面修复为例，参考附图对本发明作进一步详细阐述。
[0027]如图1所示，本发明整体包括四大块流程，第一，拆卸损伤刀具，室温下对其表面进行除油，除锈，并用丙酮清洗干净；然后进行表面无损检测，对表面裂纹损伤缺陷精确定位；第二，激光熔凝:在裂纹表面刷吸光材料，并进行恒温处理；有针对的对裂纹处进行激光熔凝修复处理，氦气侧吹保护激光熔凝部位；第三，离子注入:氩离子溅射清洗后干燥，然后进行低温离子注入，控制注入温度等参数；第四，刀具表面修整、表面层恢复，恢复剪切装备刀具表面原来的保护系统并进行表面无损检测。具体如下:
[0028]室温下对零件进行表面预处理，除油、除锈，并用丙酮清洗干净；对部件进行表面无损检测，精确定位损伤部位，确定每个裂纹的具体位置、形状、大小；
[0029]表面刷吸光涂料，并放置于200°C恒温箱中保温2h;应用多功能数控激光加工成套设备有针对的对表面缺陷及裂纹部分进行激光熔凝修复，激光功率2000W，扫描速度20mm/s,同时氦气侧吹保护激光熔凝部位。激光熔凝结束后表面依次进行抛光、丙酮清洗、干燥处理。再采用氩离子溅射方式清洗30min，除去零件表面残余的氧化物、油渍和碎肩，然后再次干燥处理。
[0030]离子注入时注入能量为70keV，束流密度为lOuA/cm2，最高温度不超过250°C，注入计量为 lX10171n/cm2，真空度为 7Xl(T6Torr0
[0031]离子注入强化后，对零件进行表面修整，达到表面质量要求，最后再次对零件进行无损检测，不符合质量要求则循环步骤1-3直至零件全部裂纹修复处理完成。
[0032]本发明，经过激光熔凝修复后，损伤部位被修复完成并产生残余压应力，由于残余压应力在疲劳载荷中起着负平均应力的作用，可以延缓疲劳裂纹的萌生。但值得注意的是，材料表层的残余压应力在热应力、热应变的高温疲劳环境中将会大大释放，经低温离子注入后，将会抑制残余应力的释放，从而抑制零件在高温疲劳环境中引起的裂纹扩展，提高其热疲劳性能、耐磨性和持久强度。
[0033]本发明采用的激光熔凝技术利用自身表面薄层快速熔化修复裂纹及缺陷，不存在后期脱落的问题，而且由于熔凝层组织非常细小，熔凝层中马氏体转变产生的压应力大，表面的裂纹和缺陷可以通过熔化过程焊合，表层成分偏析减少，形成高度过饱和固溶体等亚稳定乃至非晶相，可显著提高刀具表面强度、耐磨性、疲劳寿命等机械性能。在随后进行的低温离子注入不仅有效降低了残余压应力的释放，同时更进一步提升了零件表面的综合性會泛。
【权利要求】
1.一种高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，其特征在于包括如下步骤: 1)对零件进行表面预处理，除油、除锈，然后进行表面无损检测，定位损伤部位，确定每个裂纹的具体位置、形状、大小； 2)对检测出的零件表面的裂纹进行激光熔凝修复； 3)对激光熔凝修复部位进行离子注入。
2.根据权利要求1所述的高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，其特征在于:步骤I中，室温下对零件表面进行除油、除锈，并用丙酮清洗干净，之后对零件进行表面无损检测，然后在裂纹表面刷增强吸收材料，并放置于恒温箱中保温2h，恒温箱设定为增强吸收材料吸收效果最佳且不影响零部件本身性能的温度范围。
3.根据权利要求1所述的高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，其特征在于:步骤2中，激光熔凝修复采用多功能数控激光器对裂纹进行激光熔凝修复，激光功率为2500W，扫描速度为lOmm/s，同时通氦气以保护激光熔凝部位；激光熔凝结束后表面依次进行抛光、丙酮清洗、干燥处理。
4.根据权利要求2所述的高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，其特征在于:增强吸收材料为黑漆，恒温箱温度设定为200°C。
5.根据权利要求3所述的高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，其特征在于:步骤2中对激光熔凝修复后的零件表面进行抛光、丙酮清洗、干燥处理后，再采用氩离子溅射方式清洗30min，除去零件表面残余的氧化物、油渍和碎肩，然后再次干燥处理。
6.根据权利要求1-5任一项所述的高温工作环境下零件裂纹修复及强化的复合处理方法，其特征在于:步骤3中，离子注入时注入能量为70keV，束流密度为lOuA/cm2，最高温度不超过250°C，注入计量为1\10171011/0112，真空度为7\10 _6Torr ;离子注入强化后，对零件进行表面修整，达到表面质量要求，最后再次对零件进行无损检测，不符合质量要求则循环步骤1-3直至零件全部裂纹修复处理完成。
【文档编号】C23C24/10GK104451662SQ201410677425
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】李路娜, 范世祥, 陈赵, 连碧华, 徐士东, 桑晶 申请人:南京机电职业技术学院