一种激光熔覆修复镍铝青铜零件的方法及其产品与流程

本发明属于激光熔覆相关技术领域，更具体地，涉及一种激光熔覆修复镍铝青铜零件的方法及其产品。

背景技术：

铝青铜具有较高强度、硬度以及良好的耐磨性而广泛应用于各工业领域。在实际使用中，为满足不同需求，常在铝青铜中添加一定量的合金元素以改善其性能。镍铝青铜就是以铁、镍、锰为主要合金元素的铝青铜。铁和镍的加入可以明显细化晶粒、提高力学性能，同时可抑制γ相的形成和结网，从而获得优异的耐腐蚀性能。少量的锰可以提高镍铝青铜熔体的流动性，降低其缓冷脆性。

镍铝青铜具有良好的机械性能、耐腐蚀性能以及高温抗氧化性，多应用在舰船螺旋桨、海水管系(泵、阀)以及防爆器材等领域。一些镍铝青铜零部件在使用过程中会出现空蚀、磨损以及应力腐蚀裂纹等局部失效，然而工作在这些领域的零部件往往制造成本高、更换周期长，因此对局部失效的零部件进行及时修复并恢复其服役性能具有重要的经济效益和战略意义。

然而镍铝青铜导热性能优异，难以形成稳定熔池，以电弧为热源进行堆焊修复时，往往需要较大的热输入，使得热影响区较大以及零部件变形。进行喷涂或电火花沉积修复时，修复层厚度较薄且与基体结合强度低。以激光为热源的激光熔覆修复具有成形精度高、热影响区小及加工柔性好等特点，但应用于镍铝青铜时也存在合金粉末须专门定制、母材对激光反射率过高以及热膨胀率过大而在修复过程中易产生裂纹等问题亟待解决。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光熔覆修复镍铝青铜零件的方法及其产品，利用两种已商业化的合金粉末按一定比例混合，快速制得与镍铝青铜母材有良好相容性的合金粉末，在出现磨损、裂纹等失效的区域铣削出u型槽；在修复前用激光对其表面进行重熔从而对母材预热；在槽的底部与两侧界面进行高功率往复打底熔覆，获得熔深较大的熔覆层，从而增强与母材的连接强度；之后在u型槽中间区域进行较低功率的往复扫描沉积，在修复过程中采用激光重熔对母材预热、采用低功率激光进行熔覆从而降低总体热输入量以及采用往复扫描路径增加高温停留时间从而有利于应力释放等方式降低修复区域的残余应力，避免出现变形、裂纹等缺陷，并在修复区域获得高硬度的激光沉积态组织，提高零部件的耐磨性能。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光熔覆修复镍铝青铜零件的方法，该方法包括下列步骤：

s1对于待修复的镍铝青铜零件的缺陷区域，在该缺陷区域进行铣削加工形成u型槽；

s2采用高功率的激光在所述u型槽的内表面进行往复打底熔覆，以此在所述u型槽的内表面形成打底熔覆层；

s3采用低功率的激光在所述打底熔覆层进行逐层往复熔覆，以此实现对u型槽的填充，对填充后的u型槽表面进行表面处理，进而实现对待修复的镍铝青铜零件的修复。

进一步优选地，在步骤s2之前，还需采用激光对所述u型槽的内表面进行重熔，一方面消除所述u型槽内表面铣削过程中的缺陷，另一方面预热所述u型槽内表面。

进一步优选地，采用激光对所述u型槽的内表面进行重熔时，所述激光扫描的速度为0.008m/s～0.012m/s，功率为2000w～2500w。

进一步优选地，在步骤s2中，所述高功率激光的激光功率为2300w～2600w，在步骤s3中，所述低功率激光的激光功率为1500w～2000w。

进一步优选地，在s2和s3中进行激光打底熔覆和逐层往复沉积熔覆时所采用的材料为cu10al粉末和invar36粉末球磨混合获得的混合粉末，该混合粉末中cu10al粉末和invar36粉末的重量比为(90～110)：(9～13)，其中cu10al粉末中al的质量分数为9％～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合粉末中ni的质量分数为35％～37％，余量为fe和不可避免的杂质，所述cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

进一步优选地，所述球磨混合的滚筒机转速优选为300r/min～350r/min，混合时间为6h～8h。

进一步优选地，在s2和s3中进行激光打底熔覆和逐层往复沉积熔覆时，激光熔覆过程中送粉速度为15g/min～20g/min，扫描速度为0.006m/s～0.012m/s，激光负离焦。

进一步优选地，在步骤s1中，所述u型槽的两个侧面的夹角为60±2°。

进一步优选地，在步骤s2和s3中，所述激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，所述激光重熔、打底熔覆和沉积熔覆均在氩气保护下进行。

按照本发明的另一个方面，提供了上述激光熔覆修复镍铝青铜零件的方法获得的产品。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1、本发明中利用激光熔覆技术修复铜合金，能量集中，热影响区小，并且熔覆层的尺寸和位置可以精确控制，利用已商业化的cu10al粉末和invar36粉末快速制得与镍铝青铜相容良好的修复材料，无需专门定制铜基合金粉末，大大降低了修复的时间成本和经济成本；

2、本发明在待修改零件的失效区域进行开槽修复，在u型槽内依次进行重熔、高功率打底熔覆、低功率往复熔覆，获得与母材结合良好的致密、无裂纹修复区域，同时又避免热输入过大而导致零部件变形以及残余应力导致的开裂，修复区组织为激光沉积态，组织细小，因此具有较高的硬度，耐磨性能更优异，在失效区域进行开槽修复，可适用于较大尺寸失效的修复，并且增加了修复区域与母材的结合面积，熔覆层的抗拉强度可达877～992mpa，硬度可达198-210hb，具有良好的耐磨性。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的激光熔覆修复镍铝青铜的方法的流程图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的u型槽的截面图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的u型槽的俯视图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的u型槽填充的示意图，其中，(a)是u型槽打底熔覆的示意图，(b)是u型槽中间区域的熔覆示意图，(c)是u型槽中间区域的熔覆的路径示意图；

图5是是按照本发明的优选实施例1所构建的u型槽填充后的微观组织形貌。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，一种激光熔覆修复镍铝青铜的方法，该方法包括如下步骤：

1)选取目前已商业化的cu10al粉末和invar36粉末，将两种粉末重量按cu10al：invar36＝(90～110)：(9～13)的比例称取后球磨得到混合粉末；

2)在母材损伤区域铣削加工60±2°的u型槽，如图2和3所示，用丙酮对槽的底部与两侧进行清洗；

3)进行修复之前采用功率2000～2500w、扫描速度0.008～0.012m/s的激光对u型槽表面进行重熔，以清除其表面加工缺陷并对母材进行预热，降低修复后的残余应力；

4)在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，激光功率2300～2600w。打底熔覆结束后，在u型槽中间区域开始往复熔覆，激光功率为1500～2000w，搭接率为30％～40％，层间提升量为0.8～1mm。修复过程示意图如图4所示；

5)修复结束后对修复区域表面进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸与公差精度。

优选地，两种原始粉末为流动性较好的球形粉末，粒径为45μm～105μm。球磨混合的滚筒机转速优选为300r/min～350r/min，混合时间为6～8h。混合粉末采用烘干箱烘干，烘干温度优选为120～150℃，烘干时间优选为1.5～2h。

优选地，激光器采用nd-yag激光器，激光波长为1064nm，光斑直径2～3mm。

优选地，激光重熔和熔覆过程在99.99％的氩气氛围下完成。

优选地，激光熔覆过程中送粉速度为15g/min～20g/min，扫描速度为0.006～0.012m/s，激光负离焦。

优选地，熔覆层抗拉强度可达877～992mpa，硬度可达198～210hb，具有良好的耐磨性。

下面将结合具体的实施例，进一步说明本发明。

实施例1

qal10-4-4镍铝青铜具有稳定的力学性能，常用于高强度耐磨零部件，如轴承、法兰盘等，选取一块qal10-4-4镍铝青铜板，模拟其产生了裂纹，然后在失效区域进行开槽、清洗，u型槽的l、b、h分别取60mm、15mm、6mm，然后进行激光熔覆修复，具体包括以下步骤：

s1：粉末重量按cu10al：invar36＝90：13的比例称取，其中cu10al铜合金粉末中al的质量分数为9～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合金粉末中ni的质量分数为35～37％，余量为fe和不可避免的杂质，混合后的合金粉末化学成分为7.0％al，4.5％ni，7.9％fe，余量为cu元素和不可避免的杂质，cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

s2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，然后放到球磨滚筒机内混合6h，滚筒机转速为300r/min。

s3：激光熔覆修复前用功率2000w、扫描速度0.008m/s的激光对u型槽表面进行重熔，扫描方向为往复扫描。重熔后在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，工艺参数为：功率2300w，扫描速度0.006m/s，送粉速度15g/min，搭接率为30％。打底熔覆结束后在槽的中间区域进行往复熔覆，激光功率为1500w，层间提升量为0.8mm，其他工艺参数与打底熔覆过程一致，激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，激光重熔和激光熔覆均在氩气保护下进行。

s4：将修复区高出母材的部分进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸及公差要求。修复区域熔覆层的硬度为187～198hb。图5是本实施例的u型槽填充后的微观组织形貌。

实施例2

qal10-4-4镍铝青铜具有稳定的力学性能，常用于高强度耐磨零部件，如轴承、法兰盘等，选取一块qal10-4-4镍铝青铜板，模拟其产生了裂纹，然后在失效区域进行开槽、清洗，u型槽的l、b、h分别取60mm、15mm、6mm，然后进行激光熔覆修复，具体包括以下步骤：

s1：粉末重量按cu10al：invar36＝110：9的比例称取，其中cu10al铜合金粉末中al的质量分数为9～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合金粉末中ni的质量分数为35～37％，余量为fe和不可避免的杂质，混合后的合金粉末化学成分为7.4％al、2.7％ni、4.7％fe，余量为cu元素和不可避免的杂质，cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

s2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，然后放到球磨滚筒机内混合6h，滚筒机转速为350r/min。

s3：激光熔覆修复前用功率2500w、扫描速度0.012m/s的激光对u型槽表面进行重熔，扫描方向为往复扫描。重熔后在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，工艺参数为：功率2300w，扫描速度0.008m/s，送粉速度18g/min，搭接率为35％。打底熔覆结束后在槽的中间区域进行往复熔覆，激光功率为1800w，层间提升量为1mm，其他工艺参数与打底熔覆过程一致，激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，激光重熔和激光熔覆均在氩气保护下进行

s4：将修复区高出母材的部分进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸及公差要求。修复区域熔覆层的硬度为196～207hb。

实施例3

c95800镍铝青铜常用于工作在高负荷、高滑动速度的耐磨零件，如连杆、轴瓦、蜗轮等。选取一块c95800镍铝青铜板，模拟其产生了较大面积的磨损，然后对损坏的区域进行开槽、清洗，vu型槽的l、b、h分别取80mm、60mm、3mm，然后进行激光增材熔覆修复，具体包括以下步骤：

s1：粉末重量按cu10al：invar36＝10：1的比例称取，其中cu10al铜合金粉末中al的质量分数为9～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合金粉末中ni的质量分数为35-37％，余量为fe和不可避免的杂质，混合后的合金粉末化学成分为7.3％al、3.3％ni、5.7％fe，余量为cu元素和不可避免的杂质，cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

s2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，然后放到球磨滚筒机内混合8h，滚筒机转速为300r/min。

s3：激光熔覆修复前用功率2300w、扫描速度0.01m/s的激光对u型槽表面进行重熔，扫描方向为往复扫描。重熔后在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，工艺参数为：功率2500w，扫描速度0.01m/s，送粉速度16g/min，搭接率为40％。打底熔覆结束后在槽的中间区域进行往复熔覆，激光功率为2000w，层间提升量为0.9mm，其他工艺参数与打底熔覆过程一致，激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，激光重熔和激光熔覆均在氩气保护下进行。

s4：将修复区高出母材的部分进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸及公差要求。修复区域熔覆层的硬度为190-202hb。

实施例4

c95800镍铝青铜常用于工作在高负荷、高滑动速度的耐磨零件，如连杆、轴瓦、蜗轮等。选取一块c95800镍铝青铜板，模拟其产生了较大面积的磨损，然后对损坏的区域进行开槽、清洗，vu型槽的l、b、h分别取80mm、60mm、3mm，然后进行激光增材熔覆修复，具体包括以下步骤：

s1：粉末重量按cu10al：invar36＝110：13的比例称取，其中cu10al铜合金粉末中al的质量分数为9～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合金粉末中ni的质量分数为35-37％，余量为fe和不可避免的杂质，混合后的合金粉末化学成分为7.2％al、3.8％ni、6.6％fe，余量为cu元素和不可避免的杂质，cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

s2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，然后放到球磨滚筒机内混合8h，滚筒机转速为350r/min。

s3：激光熔覆修复前用功率2000w、扫描速度0.009m/s的激光对u型槽表面进行重熔，扫描方向为往复扫描。重熔后在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，工艺参数为：功率2500w，扫描速度0.012m/s，送粉速度18g/min，搭接率为35％。打底熔覆结束后在槽的中间区域进行往复熔覆，激光功率为1800w，层间提升量为0.8mm，其他工艺参数与打底熔覆过程一致，激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，激光重熔和激光熔覆均在氩气保护下进行。

s4：将修复区高出母材的部分进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸及公差要求。修复区域熔覆层的硬度为183-199hb。

实施例5

选取一块qal10-5-5镍铝青铜板，模拟其产生了裂纹，然后对损坏的区域进行开槽、清洗，v型槽的l、b、h分别取90、30mm、10mm，然后进行激光熔覆修复，具体包括以下步骤：

s1：粉末重量按cu10al：invar36＝9：1的比例称取，其中cu10al铜合金粉末中al的质量分数为9～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合金粉末中ni的质量分数为35-37％，余量为fe和不可避免的杂质，混合后的合金粉末化学成分为7.2％al、3.6％ni、6.3％fe，余量为cu元素和不可避免的杂质，cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

s2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，然后放到球磨滚筒机内混合7h，滚筒机转速为320r/min。

s3：激光熔覆修复前用功率2500w、扫描速度0.01m/s的激光对u型槽表面进行重熔，扫描方向为往复扫描。重熔后在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，工艺参数为：功率2600w，扫描速度0.01m/s，送粉速度20g/min，搭接率为30％。打底熔覆结束后在槽的中间区域进行往复熔覆，激光功率为1800w，层间提升量为0.9mm，其他工艺参数与打底熔覆过程一致，激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，激光重熔和激光熔覆均在氩气保护下进行。

s4：将修复区高出母材的部分进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸及公差要求。修复区域熔覆层的硬度为176-190hb。

实施例6

选取一块qal10-5-5镍铝青铜板，模拟其产生了裂纹，然后对损坏的区域进行开槽、清洗，v型槽的l、b、h分别取90、30mm、10mm，然后进行激光熔覆修复，具体包括以下步骤：

s1：粉末重量按cu10al：invar36＝9：1的比例称取，其中cu10al铜合金粉末中al的质量分数为9～11％，余量为cu和不可避免的杂质；invar36合金粉末中ni的质量分数为35-37％，余量为fe和不可避免的杂质，混合后的合金粉末化学成分为7.4％al、3.0％ni、5.3％fe，余量为cu元素和不可避免的杂质，cu10al粉末和invar36粉末的粒径范围均为45μm～105μm。

s2：混合方法为球磨混料，将称好的粉末放入含有钢球的混瓶中，然后放到球磨滚筒机内混合7h，滚筒机转速为320r/min。

s3：激光熔覆修复前用功率2300w、扫描速度0.008m/s的激光对u型槽表面进行重熔，扫描方向为往复扫描。重熔后在u型槽底部与两侧进行往复打底熔覆，工艺参数为：功率2600w，扫描速度0.009m/s，送粉速度18g/min，搭接率为40％。打底熔覆结束后在槽的中间区域进行往复熔覆，激光功率为1500w，层间提升量为1mm，其他工艺参数与打底熔覆过程一致，激光器均采用nd-yag激光器，光斑直径2mm～3mm，激光重熔和激光熔覆均在氩气保护下进行。

s4：将修复区高出母材的部分进行铣削、磨削加工，恢复其尺寸及公差要求。修复区域熔覆层的硬度为182～201hb。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。