一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于一種金屬裂紋修復(fù)方法，特別是關(guān)于一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]裂紋損傷是金屬零部件失效的最廣泛的形式之一。當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)，零部件強(qiáng)度及可靠性會(huì)迅速下降，容易造成安全隱患。目前關(guān)于出現(xiàn)裂紋損傷的零部件，尤其當(dāng)出現(xiàn)深層裂紋時(shí)，一般情況下處于安全考慮均會(huì)做報(bào)廢處理。但對(duì)于具有高成本及高附加值的產(chǎn)品，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，報(bào)廢處理會(huì)造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。
[0003]對(duì)于表層金屬裂紋，目前利用激光的處理辦法已經(jīng)取得較好的修復(fù)效果。但對(duì)于深層裂紋，在不影響基體性能的前提下，因能量或外來(lái)填充物質(zhì)難以觸及深層裂紋，目前并沒(méi)有很好的處理方式。
[0004]相對(duì)于激光處理，脈沖電流在深層裂紋處理方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。例如可自動(dòng)檢測(cè)裂紋損傷位置，處理時(shí)間短，不影響基體性能等。但利用脈沖電流實(shí)現(xiàn)金屬裂紋的愈合建立在電流的繞流效應(yīng)基礎(chǔ)之上，當(dāng)裂紋較深時(shí)，繞流效應(yīng)較為明顯，此時(shí)利用脈沖電流可取得較好的裂紋愈合效果。但對(duì)于表層裂紋，繞流效應(yīng)較弱，愈合效果并不明顯。
[0005]綜上所述，目前還沒(méi)有一種可以完全修復(fù)深層裂紋的金屬裂紋愈合方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明要設(shè)計(jì)一種可以完全修復(fù)深層裂紋的深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法，所述的深層半埋藏金屬裂紋是指橫截面積小于20mmX20mm的板條狀金屬零部件中發(fā)生的深層半埋藏裂紋損傷，且裂紋兩側(cè)面最大間距小于30 μ m的裂紋損傷；
[0008]裂紋修復(fù)設(shè)備為脈沖電流沖擊裝置和半導(dǎo)體激光器，所述的脈沖電流沖擊裝置包括控制器、充電器、電容器組、高壓開(kāi)關(guān)、設(shè)備夾具A、設(shè)備夾具B、零部件保護(hù)夾具和示波器，所述的控制器分別連接充電器和高壓開(kāi)關(guān)，所述的充電器分別與電容器組和高壓開(kāi)關(guān)連接，所述的高壓開(kāi)關(guān)還與設(shè)備夾具B連接，所述的電容器組的接地端還與設(shè)備夾具A連接，所述的示波器通過(guò)羅果夫斯基線圈圈套在高壓開(kāi)關(guān)與設(shè)備夾具B間的導(dǎo)線上，所述的零部件保護(hù)夾具為獨(dú)立組件，工作時(shí)，用于夾持住裂紋損傷零部件；
[0009]所述的零部件保護(hù)夾具包括兩絕緣片和兩夾片，通過(guò)螺栓和螺母夾持在裂紋損傷零部件的中部；
[0010]具體方法包括以下步驟:
[0011]A、準(zhǔn)備工作:
[0012]Al、清洗裂紋損傷零部件；
[0013]將裂紋損傷零部件浸沒(méi)在丙酮溶液中，在30-40°C溫度下，用超聲波清洗機(jī)清洗20-25分鐘，借此分離裂紋損傷零部件中的油污并去除表面污垢；
[0014]A2、用零部件保護(hù)夾具夾持住清洗過(guò)的裂紋損傷零部件；
[0015]在裂紋損傷零部件的兩側(cè)面上下各設(shè)置一絕緣片，并在每一絕緣片的外側(cè)各設(shè)置一夾片，夾片的兩端各自通過(guò)螺栓和螺母將裂紋損傷零部件、絕緣片和夾片固定成一體，以抑止脈沖放電時(shí)可能出現(xiàn)的熔融金屬噴發(fā)現(xiàn)象；
[0016]B、修復(fù)裂紋損傷零部件:
[0017]B1、將裂紋損傷零部件用設(shè)備夾具A和設(shè)備夾具B固定。通過(guò)控制器控制充電器，使電容器組在5000V充電電壓下儲(chǔ)能，所需充電時(shí)間t = 20k,單位為s，其中，k為電容器組所采用獨(dú)立電容器的個(gè)數(shù)，每個(gè)獨(dú)立電容器電容值為20 μ F。
[0018]充電完成后，通過(guò)控制器觸發(fā)高壓開(kāi)關(guān)，電流從電容器組經(jīng)由設(shè)備夾具A和設(shè)備夾具B傳送到與之相連的裂紋損傷零部件上，脈沖電流流經(jīng)裂紋損傷區(qū)域時(shí)，電流會(huì)沿裂紋面運(yùn)動(dòng)到裂紋尖端，在裂紋尖端處形成密度值極高的電流場(chǎng)，電磁熱效應(yīng)使得裂紋尖端獲得超過(guò)金屬材料熔點(diǎn)的溫升，同時(shí)較高的溫度梯度場(chǎng)導(dǎo)致了壓應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生，促使裂紋兩側(cè)面發(fā)生貼合并形成愈合區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)裂紋愈合作用。
[0019]逐漸增大電容器組的電容值，直到線電流密度J在12.1±0.5kA/mm范圍時(shí)，停止增大電容器組的電容值，即達(dá)到要求的線電流密度，此時(shí)愈合現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)。
[0020]通過(guò)示波器記錄脈沖放電過(guò)程中的峰值電流I，并利用其計(jì)算裂紋尖端處的線電流密度值J，以校驗(yàn)所選擇的電容值是否適合用于修復(fù)裂紋，并使之愈合，其計(jì)算公式如下:
[0021]J = I.a/ (h.w)
[0022]其中，a是裂紋尖端至零部件上表面的垂直距離，單位為mm。h是零部件高度，單位為mm。w為零部件寬度，單位為mm。I為脈沖放電過(guò)程中的峰值電流，單位為kA。
[0023]B2、固定電容器組電容值；
[0024]通過(guò)控制器控制充電器，使電容器組按照每次增加充電電壓500V的方式，即在5500V、6000V、6500V、……、10000V的充電電壓下儲(chǔ)能，充電完成后，通過(guò)控制器控制高壓開(kāi)關(guān)觸發(fā)，完成脈沖放電處理。在多次脈沖放電過(guò)程中，愈合區(qū)會(huì)逐漸從裂紋尖端向零部件上表面推進(jìn)，且愈合區(qū)之間互相互重疊。
[0025]B3、在逐次增加充電電壓進(jìn)行脈沖放電處理的過(guò)程中，每完成四次脈沖放電處理后，將裂紋損傷零部件分別從設(shè)備夾具A、設(shè)備夾具B和零部件保護(hù)夾具中拆除，利用滲透檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)裂紋愈合效果。若裂紋尖端距上表面距離已至2mm，停止脈沖放電處理，轉(zhuǎn)步驟B4。否則，清除檢測(cè)后的表面殘留物，轉(zhuǎn)步驟B2。
[0026]B4、脈沖電流處理完成后，利用半導(dǎo)體激光器對(duì)裂紋損傷零部件上表面進(jìn)行激光重熔處理。激光重熔過(guò)程中，所選用的參數(shù)如下:功率:2200W，運(yùn)動(dòng)速度:3mm/s，激光束直徑:4_。激光束運(yùn)動(dòng)起始位置與結(jié)束位置各向兩側(cè)面偏移3-4_，以使激光束在處理裂紋損傷零部件上表面時(shí)速度均一穩(wěn)定。
[0027]B5、激光重熔完成后，利用半導(dǎo)體激光器對(duì)裂紋損傷零部件上表面進(jìn)行激光熔覆處理。激光熔覆過(guò)程中，所選用的參數(shù)如下:功率:2200W，速度:3-4mm/s，激光束直徑:4mm，同軸送粉器送粉速率:9-10g/min。激光熔覆過(guò)程中，選用與裂紋損傷零部件原有材料性能相近或優(yōu)于原有材料性能的鈦合金粉末。激光熔覆過(guò)程中激光運(yùn)動(dòng)軌跡與步驟B4相同。
[0028]B6、激光熔覆處理完成后，利用平面磨床對(duì)熔覆過(guò)的上表面做磨削處理，以恢復(fù)零部件原有尺寸特征。與此同時(shí)，若兩側(cè)面也有不平整的地方且影響使用性能，也需要利用平面磨床做磨削處理。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0030]1、本發(fā)明先用脈沖電流沖擊裝置處理深層裂紋，處理結(jié)束后深層裂紋轉(zhuǎn)化為表層裂紋，再用激光器處理表層裂紋，從而實(shí)現(xiàn)了完全修復(fù)深層裂紋的目的。
[0031]2、本發(fā)明利用脈沖電流實(shí)現(xiàn)深層裂紋的修復(fù)。脈沖電流流經(jīng)裂紋損傷區(qū)域時(shí)，會(huì)沿裂紋面運(yùn)動(dòng)至裂紋尖端。在裂尖處具有極高的電流密度，在焦耳熱效應(yīng)的作用下可獲得超過(guò)材料熔點(diǎn)的溫升。極短的電流持續(xù)時(shí)間使得裂尖處獲得較高的溫度梯度并產(chǎn)生壓應(yīng)力，促使裂紋面發(fā)生貼合形成愈合作用。
[0032]3、本發(fā)明利用激光重熔實(shí)現(xiàn)表層裂紋的修復(fù)。激光重熔使得材料表面發(fā)生了快速融化-凝固的過(guò)程，在此過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)表面裂紋的修復(fù)。同時(shí)在激光重熔過(guò)程中，可以排除雜質(zhì)和氣體，同時(shí)急冷重結(jié)晶獲得的組織有較高的硬度、耐磨性和抗蝕性。
[0033]4、本發(fā)明采用激光熔覆與磨床磨削加工可以保證尺寸精度。激光重熔后會(huì)使得表面不平整，激光熔覆處理可以填補(bǔ)表面凹陷，磨削加工可使表面形貌回復(fù)原有狀態(tài)。
[0034]5、本發(fā)明采用的脈沖電流及激光在裂紋損傷位置引起的升溫及降溫過(guò)程非常迅速，不會(huì)對(duì)基體組織、性能產(chǎn)生不良影響。
[0035]6、通過(guò)本發(fā)明處理后，原有的裂紋可實(shí)現(xiàn)基本消除。針對(duì)不同裂紋損傷程度及不同形狀的零部件均可做修復(fù)處理。鑒于以上理由，本發(fā)明可以廣泛用于金屬材料修復(fù)領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1是本發(fā)明所采用的脈沖放電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖2是本發(fā)明所采用的零部件保護(hù)夾具示意圖。
[0038]圖3是本發(fā)明所采用的激光束運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。
[0039]圖中:1、控制器，2、充電器，3、電容器組，4、高壓開(kāi)關(guān)，5、設(shè)備夾具A，6、零部件保護(hù)夾具，7、示波器，8、裂紋損傷零部件，9、同軸送粉器，10、激光束，11、設(shè)備夾具B，61、絕緣片，62、夾片，63、螺栓，64、螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0041]如圖1-3所示，一種深層半埋藏金屬裂紋修復(fù)方法，所述的深層半埋藏金屬裂紋是指橫截面積小于20mmX20mm的板條狀金屬零部件中發(fā)生的深層半埋藏裂紋損傷，且裂紋兩側(cè)面最大間距小于30 μ m的裂紋損傷；
[0042]裂紋修復(fù)設(shè)備為脈沖電流沖擊裝置和半導(dǎo)體激光器，所述的脈沖電流沖擊裝置包括控制器1、充電器2、電容器組3、高壓開(kāi)關(guān)4、設(shè)備夾具A5、設(shè)備夾具B11、零部件保護(hù)夾具6和示波器7，所述的控制器I分別連接充電器2和高壓開(kāi)關(guān)4，所述的充電器2分別與電容器組3和高壓開(kāi)關(guān)4連接，所述的高壓開(kāi)關(guān)4還與設(shè)備夾具Bll連接，所述的電容器組3的接地端還與設(shè)備夾具A5連接，所述的示波器7通過(guò)羅果夫斯基線圈圈套在高壓開(kāi)關(guān)4與設(shè)備夾具Bll間的導(dǎo)線上，所述的零部件保護(hù)夾具6為獨(dú)立組件，工作時(shí)，用于夾持住裂紋損傷零部件8 ；
[0043]所述的零部件保護(hù)夾具6包括兩絕緣片61和兩夾片62，通過(guò)螺栓63和螺母64夾持在裂紋損傷零部件8的中部；
[0044]具體方法包括以下步驟:
[0045]A、準(zhǔn)備工作:
[0046]Al、清洗裂紋損傷零部件8 ;
[0047]將裂紋損傷零部件8浸沒(méi)在丙酮溶液中，在30_40°C溫度下，用超聲波清洗機(jī)清洗20-25分鐘，借此分離裂紋損傷零部件8中的油污并去除表面污垢；
[0048]A2、用零部件保護(hù)夾具6夾持住清洗過(guò)的裂紋損傷零部件8 ；
[0049]在裂紋損傷零部件8的兩側(cè)面上下各