采用激光熔覆修复tc4-dt钛合金的工艺方法
【专利摘要】本发明属于激光加工技术领域，涉及一种采用激光熔覆修复TC4?DT锻件的工艺方法，主要用于TC4?DT钛合金加工超差和服役损伤的维修。该方法针对TC4?DT钛合金，选用TC4?DT粉末作为熔覆材料，在激光熔覆头前端处安装一个圆筒形附加拖罩，附加拖罩内配有网眼铜片，网眼铜片置于激光熔覆头和拖罩之间，拖罩上开有通气孔。本发明采用合理的激光熔覆工艺参数，对加工超差或者服役损伤的TC4?DT锻件进行修复。修复的零件变形非常小，控制在公差范围内；修复部位无裂纹缺陷；修复后工件的使用寿命延长。本发明可以在大气或者充氩环境中进行，操作调整方便，适合零件的修复工作。
【专利说明】
采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金的工艺方法
技术领域
[0001 ]本发明属于激光加工技术领域，涉及一种采用激光熔覆修复TC4-DT锻件的工艺方 法，主要用于TC4-DT钛合金加工超差和服役损伤的维修。
【背景技术】
[0002] 为满足飞机轻重量、长寿命和高环境适应性等设计要求，机体结构大量采用钛合 金及其应用技术。其中，TC4-DT损伤容限钛合金约占全机钛合金用量的50%，广泛用于机身 的主承力框和机翼主梁等关键承力结构。
[0003] 钛合金锻件在加工过程中的加工超差及使用过程中锻件受损等问题使得零件只 能做报废处理，但钛合金零件尤其是TC4-DT整框材料成本高、规格大、结构复杂，加工周期 长，报废给钛合金零件的制造带来了极大的经济损失，同时也增加了飞机的生产成本。
[0004] 在补焊TC4-DT钛合金锻件时，钨极氩弧焊的热输入过大，容易造成焊接裂纹和零 件变形，并且焊接热循环会影响母材的性能，补焊质量无法保证。
【发明内容】
[0005] 本发明提出一种采用激光熔覆修复TC4-DT锻件的工艺方法，目的是修复TC4-DT钛 合金加工超差和服役损伤。
[0006] 本发明技术解决方案是：
[0007 ]该方法的步骤是：
[0008] (1)制备熔覆材料，按照TC4-DT化学成分制备同种材料粉末，筛选出粒度为150目 ~300目供激光修复使用；
[0009] (2)修复前表面清理，采用手持打磨枪去除表层污物，并用钢丝轮抛光打磨表面， 要求打磨面尽可能平整过度，最后用丙酮擦洗；
[0010] (3)修复前尺寸测量，采用游标卡尺、对待修复区域尺寸进行测量，记录测量数据， 计算各层需熔覆厚度；
[0011] (4)安装激光熔覆头附加拖罩，在激光熔覆头前端处安装一个圆筒形附加拖罩，附 加拖罩内配有网眼铜片，网眼铜片置于激光熔覆头和拖罩之间，拖罩上开有通气孔，通气孔 在网眼铜片上方；
[0012] (5)激光熔覆，将待修复TC4-DT钛合金置于激光熔覆头下方工作台上，采用激光填 加粉末熔覆方法恢复缺陷位置的尺寸，并留有〇. 3~0.8mm的加工余量，激光
[0013] 熔覆的工艺参数为:激光功率800~1200W，光斑直径0.3~0.8mm，熔覆速率400~ 600mm/min，离焦量0~13_，送粉速率2~10g/min，送粉气5~10L/min，保护气体10~25L/ min，激光熔覆的单层厚度控制在0.2~1. Omm之间，采用多层熔覆完成；
[0014] (6)修复后测量，测量熔覆厚度，保证熔覆层留有0.3~0.8mm的加工余量，记录测 量数据；
[0015] (7)无损检测，采用荧光和X射线探伤方法，对激光熔覆层进行检查，要求无裂纹、 未恪合、夹杂缺陷；
[0016] (8)去应力退火，采用LWK-30T-0100型温度控制仪进行局部退火或在空气炉中整 体充氩退火，消除熔覆层残余应力，退火制度为:500~600°C，1~3h，空冷；
[0017] (9)机械加工，采用车、铣、磨、钳等加工手段加工修复区域，恢复尺寸，满足图纸要 求。加工需满足装配要求；
[0018] (10)低温回火，在磨工结束后6小时内，对加工部位做回火处理，消除加工应力，回 火制度为：190°CX4h;
[0019] (11)无损检测，采用磁粉探伤方法，对加工部位进行检查，要求无裂纹缺陷。
[0020]对于尺寸不超出限制的工件，可以采用充氩环境保护罩替代安装在激光熔覆头前 端的附加拖罩，充氩环境保护罩上方安装在激光熔敷头后端卡盘上并用卡箍勒紧，在工作 台安装一个工作底盘，充氩环境保护罩下方安装在工作底盘上并有卡箍勒紧，激光熔敷头 后端卡盘和工作台底盘上各开有排气口和进气口，用于充氩环境保护罩内氩气的充入和排 出，后端卡盘上还开有测量口以实时监测充氩环境保护罩中的氧含量，待修复TC4-DT钛合 金置于充氩环境保护罩中，充氩保护罩由〇. 〇5mm厚的聚酰亚胺薄膜制成，兼备柔性和耐高 温性能。
[0021 ]本发明具有的优点和有益效果
[0022]本发明针对TC4-DT钛合金，选用TC4-DT粉末作为熔覆材料，在激光熔覆头前端处 安装一个圆筒形附加拖罩，附加拖罩内配有网眼铜片，网眼铜片置于激光熔覆头和拖罩之 间，拖罩上开有通气孔。本发明采用合理的激光熔覆工艺参数，对加工超差或者服役损伤的 TC4-DT锻件进行修复。修复的零件变形非常小，控制在公差范围内；修复部位无裂纹缺陷； 修复后工件的使用寿命延长。本发明采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金加工超差和服役损 伤，激光熔覆与普通焊接方法相比有以下优势:激光能量密度高，加热速度快，修复时的热 输入极低，可大大减少工件变形，并减少热循环对母材性能的影响。激光熔覆修复可以在大 气或者充氩环境中进行，
[0023]操作调整方便，适合零件的修复工作。
[0024]本发明基于激光熔覆技术的优势，本发明前期研究中采用TC4-DT粉末在TC4-DT基 体试块上进行了激光熔覆补焊试验，对熔覆试样的微观组织、拉伸、裂纹扩展速率等性能进 行了研究，熔覆组织致密无缺陷，抗拉强度与母材相当，延伸率和裂纹扩展速率达到母材标 准要求。
[0025]本发明技术可用于TC4-DT钛合金加工超差和服役损伤的修复，为飞机生产维修节 约成本，相应的研究结果填补国内空白，为高推重比发动机的研制提供技术储备。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明附加拖罩结构示意图；
[0027] 图2是本发明充氩环境保护罩结构示意图。
【具体实施方式】：
[0028] 以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述：
[0029]根据TC4-DT锻件待修复部位及加工超差或服役损伤程度，明确修复方案，实施以 下具体步骤：
[0030] (1)制备熔覆材料，按照TC4-DT化学成分制备同种材料粉末，筛选出粒度为150目 ~300目供激光修复使用；
[0031] (2)修复前表面清理，采用手持打磨枪去除表层污物，并用钢丝轮抛光打磨表面， 要求打磨面尽可能平整过度，最后用丙酮擦洗；
[0032] (3)修复前尺寸测量，采用游标卡尺、对待修复区域尺寸进行测量，记录测量数据， 计算各层需熔覆厚度；
[0033] (4)安装激光熔覆头附加拖罩，在激光熔覆头前端处安装一个圆筒形附加拖罩1， 附加拖罩内配有网眼铜片2,网眼铜片2置于激光熔覆头3和附加拖罩1之间，保护气流4经由 通气孔5输入，通过网眼铜片2后罩住激光束6和填充粉末7，即可提高氩气保护效果，附加拖 罩和网眼铜片的结构如图1所示；
[0034] (5)激光熔覆，将待修复TC4-DT钛合金置于激光熔覆头下方工作台上，采用激光填 加粉末熔覆方法恢复缺陷位置的尺寸，并留有〇 . 3~0.8mm的加工余量，激光熔覆的工艺参 数为:激光功率800~1200W，光斑直径0.3~0.8mm，熔覆速率400~600mm/min，离焦量0~ 13mm，送粉速率2~10g/min，送粉气5~10L/min，保护气体10~25L/min，激光恪覆的单层厚 度控制在0.2~1. Omm之间，采用多层熔覆完成；
[0035] (6)修复后测量，测量熔覆厚度，保证熔覆层留有0.3~0.8mm的加工余量，记录测 量数据；
[0036] (7)无损检测，采用荧光和X射线探伤方法，对激光熔覆层进行检查，要求无裂纹、 未恪合、夹杂缺陷；
[0037] (8)去应力退火，采用LWK-30T-0100型温度控制仪进行局部退火或在空气炉中整 体充氩退火，消除熔覆层残余应力，退火制度为:500~600°C，1~3h，空冷；
[0038] (9)机械加工，采用车、铣、磨、钳等加工手段加工修复区域，恢复尺寸，满足图纸要 求。加工需满足装配要求；
[0039] (10)低温回火，在磨工结束后6小时内，对加工部位做回火处理，消除加工应力，回 火制度为：190°CX4h;
[0040] (11)无损检测，采用磁粉探伤方法，对加工部位进行检查，要求无裂纹缺陷。
[0041] 对于尺寸不超出限制的工件，可以采用充氩环境保护罩8替代安装在激光熔覆头 前端的附加拖罩，充氩环境保护罩上方安装在激光熔敷头后端卡盘9上并用卡箍10勒紧，在 工作台安装一个工作底盘，充氩环境保护罩下方安装在工作底盘11上并有卡箍12勒紧，激 光熔敷头后端卡盘9和工作台底盘上各开有一个通气孔13和15,用于充氩环境保护罩内氩 气的充入和排出，为了测量充氩环境保护罩8内的氧含量，卡盘9上还可以开一个氧含量测 量口 14,待修复TC4-DT钛合金16置于充氩环境保护罩中，充氩保护罩由0.05mm厚的聚酰亚 胺薄膜制成，兼备柔性和耐高温性能。如图2所示
[0042] 实施例一
[0043]采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金锻件裂纹。
[0044] (1)准备150目~300目的TC4-DT粉末供修复使用；
[0045] (2)测得裂纹长度17.32mm，使用手动打磨枪将锻件上的裂纹彻底清除，打磨得到 一条长约2 5mm，宽约1 Omm，深约3mm的V型沟槽，用丙酮擦洗干净；
[0046] (3)安装激光熔覆头附加拖罩和网眼铜片；
[0047] (4)采用表1中的工艺参数对打磨的沟槽进行激光熔覆填充；
[0048] 表1具体实例一的工艺参数
[0050] (5)修复后测量熔覆层具有0.64_的加工余量；
[0051] (6)对修复后工件进行荧光检测和X射线检测，无裂纹、未熔合、夹杂等缺陷；
[0052] (7)采用LWK-30T-0100型温度控制仪对修复后工件进行局部去应力退火，退火制 度为:500~600°C，1~3h，空冷；
[0053] (8)按工件图纸要求对TC4-DT钛合金锻件激光熔覆区域进行机械加工；
[0054] (9)加工后进行低温回火，回火制度为：190°CX4h;
[0055] (10)对加工部位进行磁粉探伤，结果无裂纹等缺陷。
[0056] 实施例二
[0057]采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金试块预裂纹。
[0058] (1)准备150目~300目的TC4-DT粉末供修复使用；
[0059] (2)在TC4-DT试块上预置一条10mm裂纹，使用手动打磨枪将试块上的裂纹彻底清 除，打磨得到一条长约14mm，宽约8mm，深约2.5mm的V型沟槽，用丙酮擦洗干净；
[0060] (3)安装充氩环境保护罩8,充氩环境保护罩上方安装在激光熔敷头后端卡盘9上 并用卡箍10勒紧，充氩环境保护罩下方安装在工作底盘11上并用卡箍12勒紧，卡盘9上开有 排气口 13和氧含量测量口 14，工作台底盘上开有进气口 15，待修复TC4-DT钛合金16置于充 氩环境保护罩中，充氩保护罩由〇.〇5mm厚的聚酰亚胺薄膜制成，如图2所示；
[0061 ] (4)采用表1中的工艺参数对打磨的沟槽进行激光熔覆填充；
[0062 ] (5)修复后测量熔覆层具有0.51mm的加工余量；
[0063] (6)对修复后试块进行荧光检测和X射线检测，无裂纹、未熔合、夹杂等缺陷；
[0064] (7)在空气炉中使用充氩盒对修复后的试块进行去应力退火，退火制度为：500~ 600°(：，1~311，空冷；
[0065] (8)将TC4-DT钛合金试块激光熔覆区域机械加工平整；
[0066] (9)加工后进行低温回火，回火制度为：190°CX4h;
[0067] (10)对加工部位进行磁粉探伤，结果无裂纹等缺陷。
【主权项】
1. 采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金的工艺方法其特征在于:该方法的步骤是： (1) 制备熔覆材料，按照TC4-DT化学成分制备同种材料粉末，筛选出粒度为150目~300 目供激光修复使用； (2) 修复前表面清理，采用手持打磨枪去除表层污物，并用钢丝轮抛光打磨表面，要求 打磨面尽可能平整过度，最后用丙酮擦洗； (3) 修复前尺寸测量，采用游标卡尺、对待修复区域尺寸进行测量，记录测量数据，计算 各层需熔覆厚度； (4) 安装激光熔覆头附加拖罩，在激光熔覆头前端处安装一个圆筒形附加拖罩，附加拖 罩内配有带网眼的铜片，铜片置于激光熔覆头和拖罩之间，拖罩上开有通气孔，通气孔在铜 片上方； (5) 激光熔覆，将待修复TC4-DT钛合金置于激光熔覆头下方工作台上，采用激光填加粉 末熔覆方法恢复缺陷位置的尺寸，并留有〇. 3~0.8mm的加工余量，激光熔覆的工艺参数为： 激光功率800~1200W，光斑直径0.3~0.8mm，恪覆速率400~600mm/min，离焦量0~13mm，送 粉速率2~10g/min，送粉气5~10L/min，保护气体10~25L/min，激光熔覆的单层厚度控制 在0.2~1. Omm之间，采用多层熔覆完成； (6) 修复后测量，测量熔覆厚度，保证熔覆层留有0.3~0.8mm的加工余量，记录测量数 据； (7) 无损检测，采用荧光和X射线探伤方法，对激光熔覆层进行检查，要求无裂纹、未熔 合、夹杂缺陷； (8) 去应力退火，采用LWK-30T-0100型温度控制仪进行局部退火或在空气炉中整体充 氩退火，消除熔覆层残余应力，退火制度为:500~600°C，1~3h，空冷； (9) 机械加工，采用车、铣、磨、钳等加工手段加工修复区域，恢复尺寸，满足图纸要求。 加工需满足装配要求； (10) 低温回火，在磨工结束后6小时内，对加工部位做回火处理，消除加工应力，回火制 度为：190°CX4h; (11) 无损检测，采用磁粉探伤方法，对加工部位进行检查，要求无裂纹缺陷。2. 根据权利要求1所述的采用激光熔覆修复TC4-DT钛合金的工艺方法，其特征是，采用 充氩环境保护罩替代安装在激光熔覆头前端的附加拖罩，充氩环境保护罩上方安装在激光 熔敷头后端卡盘上并用卡箍勒紧，在工作台安装一个工作底盘，充氩环境保护罩下方安装 在工作底盘上并用卡箍勒紧，激光熔敷头后端卡盘和工作台底盘上各开有通气孔，待修复 TC4-DT钛合金置于充氩环境保护罩中，充氩保护罩由0.05mm厚的聚酰亚胺薄膜制成。
【文档编号】C23C24/10GK105821408SQ201610283519
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月3日
【发明人】李万青, 费跃, 孙兵兵, 陈冰清, 张学军
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空材料研究院