1.本發(fā)明涉及激光金屬材料加工領(lǐng)域，尤其涉及一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝。

背景技術(shù)：

2.鈦及鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、抗蝕性能和耐高溫性能優(yōu)越等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核工業(yè)及生物醫(yī)療等領(lǐng)域關(guān)鍵部件的制造。然而，鈦合金部件表面硬度較低、耐磨性能較差，對(duì)粘著磨損和微動(dòng)磨損非常敏感。鈦合金部件在服役過(guò)程中易產(chǎn)生磨損、裂紋、疲勞等，導(dǎo)致零件失效，造成經(jīng)濟(jì)損失。激光增材修復(fù)技術(shù)以高能束激光為熱源，具有熱量輸入低、稀釋小、熱影響區(qū)小及變形小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)鈦合金部件的快速再制造。

3.通常，在相同的服役環(huán)境下，鈦合金修復(fù)件在后期服役過(guò)程中極可能再次出現(xiàn)磨損等失效情況。因此，有必要對(duì)鈦合金零件修復(fù)區(qū)進(jìn)行表面改性處理。鈦的氮化物具有高熔點(diǎn)、高硬度、以及耐磨性和高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。在鈦合金部件表面制備鈦的氮化物改性層是提高其表面硬度，改善其耐磨性，延長(zhǎng)其使用壽命，擴(kuò)大其使用范圍的有效方法。目前，主要采用離子滲氮、激光氣體氮化及氣體滲氮方法在鈦合金鋼表面制備氮化物改性層。離子滲氮難以對(duì)形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行處理，且成本較高；激光滲氮容易產(chǎn)生缺陷，如氣孔和裂紋等。氣體滲氮簡(jiǎn)單易行，成本低廉，可以在鈦合金鋼表面形成氮化物硬質(zhì)相，顯著提高耐磨性能和腐蝕性能，因此，受到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

4.本發(fā)明提供一種鈦合金激光修復(fù)與表面滲氮的復(fù)合處理工藝，該方法能在保證鈦合金修復(fù)質(zhì)量的情況下，同時(shí)提高修復(fù)區(qū)的表面性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明的目的是提供一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝。

6.步驟一：對(duì)鈦合金零件表面進(jìn)行前處理，包括待修復(fù)區(qū)機(jī)械加工、清潔、噴砂及烘干；步驟二：采用熱成像儀對(duì)激光增材制造過(guò)程中熔池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得熔池形貌及溫度變化信息，計(jì)算出熔池長(zhǎng)軸平均值a與短軸平均值b，并計(jì)算出熔池邊界的平均冷卻速率ξ。

7.步驟三：根據(jù)1.5≤a/b≤2.2，且7.0

×

103℃/s≤ξ≤8.3

×

104℃/s原則對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得優(yōu)化的增材修復(fù)工藝窗口：激光功率為1300

?

1500w，掃描速度為13mm/s，光斑直徑為3.5～4mm，送粉量為25

?

30g/min，搭接量50%，高度方向增量z為0.3毫米/層。

8.步驟四：采用優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)修復(fù)后鈦合金表面進(jìn)行機(jī)械加工、拋光、噴砂及清洗，恢復(fù)鈦合金尺寸及精度。

9.步驟五：將修復(fù)鈦合金放在氮化爐中進(jìn)行滲氮處理：氮?dú)鈮毫?00

?

500pa，氮化溫度為540

?

650℃，氮化時(shí)間為3

?

8小時(shí)，占空比為80；電壓為

?

500v。

10.步驟六：鈦合金修復(fù)與改性的后續(xù)處理：退火溫度450℃，退火時(shí)間1h。

pa時(shí)，通入氮?dú)?，氮化溫度?40

?

650℃，氮化時(shí)間為3

?

8小時(shí)，占空比為80；步驟六：鈦合金零件修復(fù)與改性的后續(xù)處理：退火溫度450℃，退火時(shí)間1h。獲得高質(zhì)量的修復(fù)與表面改性試樣，tc4鈦合金修復(fù)零件內(nèi)部無(wú)冶金缺陷、微觀組織細(xì)密，修復(fù)件表面改性層硬度高達(dá)1120hv，耐磨性較基材提升4.5倍。

17.圖1為采用已有方法所獲得的鈦合金修復(fù)試樣金相圖。鈦合金修復(fù)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為致密，無(wú)明顯裂紋及氣孔等冶金缺陷，修復(fù)區(qū)的平均硬度約為356hv。上述結(jié)果表明，在本發(fā)明方法外，很難獲得高硬度的鈦合金修復(fù)試樣。

18.圖2為采用本發(fā)明實(shí)施例1所獲得的鈦合金修復(fù)與改性試樣金相圖。鈦合金修復(fù)試樣結(jié)構(gòu)致密，無(wú)氣孔及裂紋等冶金缺陷，修復(fù)區(qū)的平均硬度為403hv；修復(fù)試樣表面具有明顯的氮化層，表層硬度高達(dá)1120hv。由此可見(jiàn)，采用本發(fā)明方法可有效提高鈦合金修復(fù)試樣表面的耐磨性能。采用本發(fā)明提出方法不僅對(duì)熔池的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，確保高致密的鈦合金修復(fù)試樣，同時(shí)通過(guò)嚴(yán)格控制滲氮工藝參數(shù)，確保在低氮?jiǎng)輻l件下進(jìn)行滲氮，提高滲氮層質(zhì)量與硬度。上述結(jié)果表明，采用本發(fā)明方法可以有效提高鈦合金修復(fù)試樣的表面性能。

19.實(shí)施例2 以tb1(β型)合金為例。

20.步驟一：對(duì)tb1鈦合金零件表面進(jìn)行前處理，包括待修復(fù)區(qū)機(jī)械加工、清潔、噴砂及烘干；步驟二：采用熱成像儀對(duì)激光增材制造過(guò)程中熔池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得熔池形貌及溫度變化信息，計(jì)算出熔池長(zhǎng)軸平均值a與短軸平均值b，并計(jì)算出熔池邊界的平均冷卻速率ξ；步驟三：根據(jù)1.5≤a/b≤2.2，且7.0

×

103℃/s≤ξ≤8.3

×

104℃/s原則對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得優(yōu)化的增材修復(fù)工藝窗口：激光功率為1450w，掃描速度為13mm/s，光斑直徑為3.5mm，送粉量為27g/min，搭接量50%，高度方向增量z為0.3毫米/層，修復(fù)材料為tb1鈦合金粉末、純鋯粉及純鋁粉的混合粉末，其中包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的tb1鈦合金粉末，1.5%的純鉻粉與0.5%的純鋁粉，填充路徑為交叉掃描路徑；步驟四：采用上述優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)tb1鈦合金零件進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)修復(fù)后鈦合金表面進(jìn)行機(jī)械加工、拋光、噴砂及清洗，恢復(fù)鈦合金尺寸及精度；步驟五：將修復(fù)鈦合金零件放在氮化爐中進(jìn)行滲氮處理：當(dāng)?shù)癄t內(nèi)真空室的真空度小于1

×

10

?

4 pa時(shí)，通入氮?dú)?氮?dú)鈮毫?00

?

500pa，氮化溫度為540

?

650℃，氮化時(shí)間為3

?

8小時(shí)，占空比為80；電壓為

?

500v；步驟六：鈦合金修復(fù)與改性的后續(xù)處理：退火溫度450℃，退火時(shí)間1h，獲得高質(zhì)量的修復(fù)與表面改性試樣，tb1鈦合金修復(fù)零件內(nèi)部無(wú)冶金缺陷、微觀組織細(xì)密，修復(fù)件表面改性層硬度高達(dá)1180hv，耐磨性較基材提升4倍。技術(shù)特征：

1.一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝，其特征在于包括以下步驟：步驟一：對(duì)鈦合金零件表面進(jìn)行前處理，包括待修復(fù)區(qū)機(jī)械加工、清潔、噴砂及烘干；步驟二：采用熱成像儀對(duì)激光增材制造過(guò)程中熔池進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得熔池形貌及溫度變化信息，計(jì)算出熔池長(zhǎng)軸平均值a與短軸平均值b，并計(jì)算出熔池邊界的平均冷卻速率ξ；步驟三：根據(jù)1.5≤a/b≤2.2，且7.0

×

103℃/s≤ξ≤8.3

×

104℃/s原則對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得優(yōu)化的增材修復(fù)工藝窗口：激光功率為1300

?

1500w，掃描速度為13mm/s，光斑直徑為3.5～4mm，送粉量為25

?

30g/min，搭接量50%，高度方向增量z為0.3毫米/層；步驟四：采用優(yōu)化工藝參數(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行修復(fù)，并對(duì)修復(fù)后鈦合金表面進(jìn)行機(jī)械加工、拋光、噴砂及清洗，恢復(fù)鈦合金尺寸及精度；步驟五：將修復(fù)鈦合金放在氮化爐中進(jìn)行滲氮處理：氮?dú)鈮毫?00

?

500pa，氮化溫度為540

?

650℃，氮化時(shí)間為3

?

8小時(shí)，占空比為80；電壓為

?

500v；步驟六：鈦合金修復(fù)與改性的后續(xù)處理：退火溫度450℃，退火時(shí)間1h。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝，其特征在于：在步驟二中，熱成像儀發(fā)射率設(shè)置為1.0，單個(gè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1.5ms。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝，其特征在于：在步驟四中，修復(fù)材料為鈦合金粉末、純鋯粉及純鋁粉的混合粉末，其中包括質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%的鈦合金粉末，1.5%的純鉻粉與0.5%的純鋁粉。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝，其特征在于：在步驟四中，填充路徑為交叉掃描路徑。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝，其特征在于：在步驟五中，加熱的條件為：當(dāng)?shù)癄t內(nèi)真空室的真空度小于1

×

10

?

4 pa時(shí)，通入氮?dú)狻?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝，其特征在于：所述的鈦合金，包括α鈦合金、α+β鈦合金及β鈦合金。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開(kāi)了一種鈦合金激光增材修復(fù)與表面滲氮復(fù)合處理工藝。首先，對(duì)鈦合金零件表面進(jìn)行前處理，采用激光增材修復(fù)工藝參數(shù)如下：激光功率為1300

技術(shù)研發(fā)人員：李聰 肖斌 謝盼 陳薦 邱瑋 李微 何建軍

受保護(hù)的技術(shù)使用者：長(zhǎng)沙理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2020.12.23

技術(shù)公布日：2021/3/28