一种金属铸件缺陷部位的激光熔化沉积修复方法与流程

本发明涉及一种铸件缺陷部位的激光熔化沉积修复方法，属于金属成形技术领域。

背景技术：

涡轮泵是液氧煤油火箭发动机的关键组件，有发动机“心脏”之称。其中，涡轮泵中氧泵壳体长时间在低温液氧高速冲刷、大振动等特殊环境中工作，对力学性能要求较高。当前，由精密铸造方法制造的氧泵壳体铸件受高强不锈钢真空熔炼工艺、壳体结构复杂等因素影响，产品内部质量较难控制，容易出现疏松、缩孔等缺陷，且缺陷区域面积较大，为保产品交付进度，对于氧泵壳体铸件非关键部位处的缺陷采用人工补焊方式进行修复。

人工补焊方法通过打磨的方式将缺陷部位去除，再采用手工氩弧焊工艺进行缺陷修复，受缺陷坡口、焊丝材料及工艺参数等因素影响，补焊过程中易产生裂纹、气孔等缺陷，使部分缺陷部位需重复进行补焊返修，导致补焊周期长、劳动强度大，产品可靠性难以保证；同时，补焊区过大地热输入使晶粒组织粗化，力学性能有所降低，进一步降低了产品质量可靠性和稳定性。

技术实现要素：

为克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种金属铸件缺陷部位的激光熔化沉积修复方法，通过对金属铸件内部缺陷对应的区域进行加工，利用激光熔化沉积方法对其进行修复，相比人工补焊修复效率提升2倍以上，操作人员劳动强度和工作量大大降低，且缺陷部位一次修复合格率大幅提升，修复过程可靠性高，质量稳定性好，避免了人工补焊返修、二次补焊过程中大量非必要的生产成本。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属铸件缺陷部位的激光熔化沉积修复方法，包括以下步骤：

(1)对金属铸件进行无损检测，确定内部缺陷对应部位；

(2)去除所述内部缺陷对应部位，使所述金属铸件形成开口朝上的凹槽状待修复区域；

(3)对所述待修复区域进行加工，使所述待修复区域底面水平且沿底面向开口方向横截面逐渐扩大；

(4)对加工后的待修复区域进行三维扫描，得到待修复区域三维模型；

(5)根据所述待修复区域三维模型，采用金属粉末对加工后的待修复区域进行激光熔化沉积修复。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的确定内部缺陷对应部位，包括：

当检测到所述金属铸件内部存在至少一个缺陷时，根据所述至少一个缺陷的分布信息在所述金属铸件表面相对应的位置作出标记，将标记部位作为内部缺陷对应部位。

在一可选实施例中，步骤(2)所述的去除所述内部缺陷对应部位，包括：

对所述内部缺陷对应部位进行打磨，直至缺陷排除干净。

在一可选实施例中，步骤(3)中所述待修复区域侧壁与竖直平面夹角为45°～60°。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的对金属铸件为06cr14ni7mo不锈钢铸件。

在一可选实施例中，步骤(1)所述的对金属铸件进行无损检测，包括：

采用脉冲反射法对所述对金属铸件进行超声无损检测，其中采用凡士林作为耦合剂，超声频率为1mhz～5mhz，扫查速度不大于150mm/s，相邻两次扫查相互重叠面积为探头晶片尺寸的10％～15％。

在一可选实施例中，步骤(5)采用粒径为50μm～180μm的06cr14ni7mo不锈钢球形粉末对加工后的待修复区域进行激光熔化沉积修复。

在一可选实施例中，在惰性气氛下进行激光熔化沉积修复，其中：激光功率为1000w～3000w，采用zigzag扫描方式，扫描速度为500mm/min～1100mm/min，扫描间距为1.5mm～2.5mm，分层厚度为0.5mm～1mm，激光熔覆头光斑直径为3mm～5mm，送粉量为20g/min～30g/min。

在一可选实施例中，步骤(5)所述的采用金属粉末对加工后的待修复区域进行激光熔化沉积修复之后，还包括：

将修复后的金属铸件在压强不大于10^-3pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充氩气冷却至室温；再经冷处理降温至-70℃～80℃，保温1.5h～2.5h，空气中恢复至室温，然后升温至250℃～320℃，保温3h～6h，空冷。

在一可选实施例中，所述金属铸件为氧泵壳体。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过对金属铸件内部缺陷对应的区域进行加工，利用激光熔化沉积方法对其进行修复，相比人工补焊修复效率提升2倍以上，操作人员劳动强度和工作量大大降低，且缺陷部位一次修复合格率大幅提升，修复过程可靠性高，质量稳定性好，避免了人工补焊返修、二次补焊过程中大量非必要的生产成本；

(2)本发明提供的激光熔化沉积修复工艺参数，能量在功率密度和时空分布上可控性高，可最大限度减小热输入对基体铸件带来的翘曲变形、晶粒组织粗大等影响，且自身组织内部无宏观偏析，晶粒细小，修复区域力学性能可完全达到或优于铸件基体性能水平；

(3)通过激光熔化沉积方法修复氧泵壳体缺陷，验证了该技术在液氧煤油火箭发动机涡轮泵关键零件氧泵壳体缺陷部位修复上的可行性，显示出优越的技术潜力，为实现液氧煤油火箭发动机损伤零部件高效、高性能修复与再制造积累了大量的技术经验。

附图说明

图1为本发明一具体实施例提供的氧泵壳体及缺陷示意图；

图2为本发明一具体实施例提供的氧泵壳体缺陷激光熔化修复示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

本发明实施提供了一种金属铸件缺陷部位的激光熔化沉积修复方法，包括以下步骤：步骤(1)：对金属铸件进行无损检测，确定内部缺陷对应部位；

具体地，可以通过x射线或超声波等无损检测手段对金属铸件进行内部质量检测，确定内部缺陷；根据内部缺陷的面积、深度及位置等分布信息可以确定内部缺陷对应部位；在一可选实施例中，为便于后续操作，当检测到所述金属铸件内部存在至少一个缺陷时，根据所述至少一个缺陷的分布信息在所述金属铸件表面相对应的位置作出标记，将标记部位作为内部缺陷对应部位；

本发明实施例中，所述金属铸件可以是00cr13ni5co9mo5高强不锈钢、gh4169高温合金等金属铸件，优选06cr14ni7mo不锈钢铸件。进一步地，在一可选实施例中，采用脉冲反射法对所述对金属铸件进行超声无损检测，检测时采用粘稠度较大的凡士林作为耦合剂，超声频率为1～5mhz，扫查速度不大于150mm/s，相邻两次扫查相互重叠面积为探头晶片尺寸的10～15％，采用06cr14ni7mo不锈钢材料制作的平底孔对比试块调节检测灵敏度。在其他实施例中，还可以采用x射线进行检测，采用x射线检测时，可以对金属铸件进行分区、制作标识，并将象质计放置在有效透照区内灵敏度预计最差的部位，依据曝光曲线及透照厚度选择合适曝光量，再选择电压参数；

步骤(2)：去除所述内部缺陷对应部位，使所述金属铸件形成开口朝上的凹槽状待修复区域；

具体地，本发明实施例中，可以根据金属铸件形状及缺陷对应部位，结合后续激光熔化沉积成形所用熔覆头尺寸及干涉情况等问题，确定合理的金属铸件摆放方式，摆放好后，对所述内部缺陷对应部位进行去除，为避免去除过量，优选通过打磨的方式使缺陷排除干净。

步骤(3)：对所述待修复区域进行加工，使所述待修复区域底面水平且沿底面向开口方向横截面逐渐扩大；

具体地，本发明实施中优选采用铣床对多数待修复区域进行铣切，使待修复区域底面水平，且侧壁外扩，其中，优选待修复区域侧壁与竖直平面夹角为45°～60°，当待修复区域深度<25mm时，待修复区域侧壁与竖直平面夹角优选为45°～50°，当待修复区域深度>25mm时，待修复区域侧壁与竖直平面夹角优选50°～60°；该角度下可以保证激光熔覆头与基体区域良好匹配不干涉，且最大程度减小了修复区域体积，缩短修复时间。

步骤(4)：对加工后的待修复区域进行三维扫描，得到待修复区域三维模型；

具体地，使用三维扫描仪对加工后的待修复区域进行扫描前，先在加工后的待修复区域表面粘贴标志点，标志点尽量随机，且两两相邻标志点最小距离保持在20mm之间，随后开始扫描测量，并按一定角度旋转金属铸件，最终获得完整的待修复区域点云数据；将得到的点云数据导入到逆向工程软件geomagicstudio中进行预处理、多边形处理，处理完成后存储为stl格式模型。

步骤(5)：根据所述待修复区域三维模型，采用金属粉末对加工后的待修复区域进行激光熔化沉积修复。

在一可选实施例中，为保证修复时与基体坡口斜面的良好冶金结合，避免定位或加工误差引起的搭接不良，对获得的修复区域三维模型进行修改，使模型斜侧面向外偏置1～2mm。

具体地，根据步骤(2)中的摆放位置装夹金属铸件，使待修复区域底面平行于成形平台，成形方向为底面法线方向；

在进行激光熔化沉积修复时，将修改后的模型重新存储后导入已完成设置的切片软件平台进行切片处理，即可获得加工程序。

进一步地，加工程序定位：将修改后的模型导入至magics软件，在底面区域选择三个特征点，其中一个特征点设置为原点，并记录其余两个特征点的坐标；将加工程序导入至设备成形控制软件中，利用红光定位至上述特征点并设置程序原点，移动激光熔覆头至剩余两个特征点的坐标，开启红光检查理论特征点位置是否与实际特征点位置重合。

在一可选实施例中，采用粒径为50μm～180μm的06cr14ni7mo不锈钢球形粉末进行激光熔化沉积修复，所述粉末服从正态分布，且不存在卫星粉及异形夹杂物，修复在惰性气氛下进行其中：激光功率为1000w～3000w，采用zigzag扫描方式，扫描速度为500mm/min～1100mm/min，扫描间距为1.5mm～2.5mm，分层厚度为0.5mm～1mm，激光熔覆头光斑刻度为3～5mm，送粉量为20g/min～30g/min；激光熔化沉积修复过程能量在功率密度和时空分布上可控性高，可最大限度减小热输入对基体铸件带来的翘曲变形、晶粒组织粗大等影响，且自身组织内部无宏观偏析，晶粒细小，修复区域力学性能可完全达到或优于铸件基体性能水平。上述惰性气体优选氩气，成形过程中气氛氧含量要求小于1000ppm，成形过程中每隔1.5小时向送粉器内添加06cr14ni7mo不锈钢粉末，确保氧泵壳体修复过程的正常进行。

为保证修复后的金属铸件型面精度，优选对修复后的金属铸件进行打磨或机加工；

在一可选实施例中，在打磨或机加工后将修复后的金属铸件进行热处理，消除内应力和改善组织，以获得可完全达到或优于铸件基体性能水平的修复区域力学性能。

采用的热处理方式为固溶冷处理回火。

其中，固溶处理制度为：在压强不大于10^-3pa的真空环境、温度为1050℃～1130℃的条件下保温2h～4h，回充氩气冷却；冷处理制度为：温度为-70℃～-80℃，保温2h±30min，空气中恢复至室温；回火处理制度为：温度为250℃～320℃，保温3h～6h，空冷。

以下为本发明的一具体实施例：

实施例1

本实施例提供了一种氧泵壳体铸件的激光熔化沉积修复方法，所述氧泵壳体结构如图1所示，由06cr14ni7mo不锈钢材料制成，所述修复方法具体包括：

(1)使用x射线检测方法对氧泵壳体进行内部质量检测，记录检测出的内部缺陷的面积、深度、位置信息，并在内部缺陷对应部位做好标记。

(2)根据氧泵壳体形状及缺陷a的位置，结合激光熔覆头尺寸及干涉情况，确定将氧泵壳体如图1所示位置摆放，摆放后对缺陷对应部位进行打磨排除缺陷，得到凹槽结构的待修复区域。

(3)使用铣床对所述待修复区域进行加工，使所述待修复区域的底面水平，且侧壁与竖直平面夹角α为50°，完成待修复区域的加工。

(4)对加工后的待修复区域进行三维扫描测量得到点云数据后导入到逆向工程软件geomagicstudio中进行处理得到stl格式的待修复区域三维模型。设定切片软件平台中06cr14ni7mo不锈钢材料的激光熔化沉积修复工艺参数为：激光功率为2000w，扫描速度为800mm/min，扫描间距：2.5mm，分层厚度0.9mm。扫描方式选择：zigzag。其中，06cr14ni7mo不锈钢粉末为球形粉末，粒径范围为75μm～180μm，服从正态分布，粉末中不存在卫星粉及异形夹杂。将待修复区域三维模型以步骤(2)中的位置进行摆放，修复方向为待修复区域底面所在平面的法向，导入已完成设定的切片软件平台后剖切得到加工程序。按上述确定的摆放方式装夹氧泵壳体，调整激光熔覆头上光斑刻度为3mm，移动机床各轴确认机床机械运动过程无异常后关闭成形舱门，对激光熔化沉积成形设备机床进行归零，根据修复区域位置设置程序原点，设置送粉量为20g/min，将剖分程序导入至设备成形控制软件中，并开启红光进行空程检查，确认无误后打开设备清洗功能，待成形舱内气氛氧含量小于1000ppm时，开始修复氧泵壳体，每隔1.5小时向送粉器内添加06cr14ni7mo不锈钢粉末。修复完成后，按氧泵壳体图纸技术要求对氧泵壳体修复部位进行打磨或机械加工，得到修复后的氧泵壳体。

进一步地，对修复后的氧泵壳体进行热处理：在压强为10^-3pa的真空环境、温度为1100℃的条件下保温3h，回充氩气冷却；冷处理制度为：温度为-75℃，保温2h，空气中恢复至室温；随后升温至300℃，保温4h，空冷。

实施例2

本实施例提供了一种氧泵壳体铸件的激光熔化沉积修复方法，所述氧泵壳体结构如图1所示，由06cr14ni7mo不锈钢材料制成，所述修复方法具体包括：

(1)使用超声波检测方法对氧泵壳体进行内部质量检查，记录检测出的缺陷面积、深度、位置信息，并在缺陷区域做好标记。

(2)根据氧泵壳体形状及缺陷位置，结合激光熔覆头尺寸及干涉情况，确定将氧泵壳体如图1所示位置摆放，摆放后对缺陷对应部位进行打磨排除缺陷，，得到凹槽结构的待修复区域。

(3)使用铣床对所述待修复区域进行加工，使所述待修复区域的底面水平，且侧壁与竖直平面夹角α为65°，完成待修复区域的加工。

(4)对加工后的待修复区域进行三维扫描测量得到点云数据后导入到逆向工程软件geomagicstudio中进行处理得到stl格式的待修复区域三维模型。设定切片软件平台中06cr14ni7mo不锈钢材料的激光熔化沉积修复工艺参数为：激光功率为2800w，扫描速度为1000mm/min，扫描间距：2.5mm，分层厚度1mm。扫描方式选择：zigzag。其中，06cr14ni7mo不锈钢粉末为球形粉末，粒径范围为50μm～180μm，服从正态分布，粉末中不存在卫星粉及异形夹杂。将待修复区域三维模型以步骤(2)中的位置进行摆放，修复方向为待修复区域底面的法向，导入已完成设定的切片软件平台后剖切得到加工程序。按上述确定的摆放方式装夹氧泵壳体，调整激光熔覆头上光斑直径为4mm，移动机床各轴确认机床机械运动过程无异常后关闭成形舱门，对激光熔化沉积成形设备机床进行归零，根据修复区域位置设置程序原点，设置送粉量为25g/min，将剖分程序导入至设备成形控制软件中，并开启红光进行空程检查，确认无误后打开设备清洗功能，待成形舱内气氛氧含量小于1000ppm时，开始修复氧泵壳体，每隔1.5小时向送粉器内添加06cr14ni7mo不锈钢粉末。修复完成后，按产品图纸技术要求对氧泵壳体修复部位进行打磨或机械加工，得到修复后的氧泵壳体。

进一步地，对修复后的氧泵壳体进行热处理：在压强为10^-3pa的真空环境、温度为1050℃的条件下保温4h，回充氩气冷却；冷处理制度为：温度为-80℃，保温1.5h，空气中恢复至室温；随后升温至250℃，保温5h，空冷。

表1各实施例提供的修复区域的力学性能参数

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。