CN107723701A - 超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法 - Google Patents

超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光增材制造修复技术领域，涉及一种超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法，主要用于飞机起落架构件上表面裂纹的修复。该方法的步骤是：(1)制备激光熔覆修复用材料，(2)修复前表面清理，(3)电磁搅拌辅助激光熔覆修复，(4)机械加工，(5)无损检测，(6)去应力退火后完成修复。本发明直接激光熔覆修复的平均拉伸强度为1424.3MPa，平均延伸率为11.5％，平均冲击韧性为478KJ/m2，修复金属平均显微硬度为464.6HV；电磁搅拌辅助激光熔覆修复的平均拉伸强度为1466.7MPa，平均延伸率为15.1％，平均冲击韧性为665KJ/m2，修复金属平均显微硬度为491.4HV。修复后构件变形可控，修复部位无缺陷，修复区域室温塑性和冲击韧性更好，并延长起落架构件的使用寿命。

Description

超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法
技术领域
本发明属于激光增材制造修复技术领域，涉及一种超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法，主要用于飞机起落架构件上表面裂纹的修复。
背景技术
飞机起落架在翻修时，起落架超高强度钢活塞杆、半轴等构件外表面存在微裂纹，此类裂纹是起落架构件在服役过程中受到反复冲击而造成的疲劳裂纹，根据飞机维修手册上的质量检验准则，起落架属于关键件，出现裂纹缺陷的起落架构件不允许装机再次使用。然而活塞杆、半轴等超高强度钢起落架构件属于大尺寸非易损零件，换新成本异常昂贵且新件生产周期较长，难以满足整机维修周期的要求，而且相比于零件尺寸，这些裂纹缺陷尺寸非常小，因此急需一种可靠的修复技术对其进行修复。
目前针对该型零件，可选的修复技术是氩弧焊和激光熔覆，但由于氩弧焊热输入较高，热影响区较大，会引起基体材料性能下降，同时会产生较高残余应力，引起工件变形和修复金属开裂，而起落架构件存在与之连接配合构件多的现象，对自身的尺寸精度要求很高，氩弧焊修复时引起的变形和开裂不被允许，再者，该起落架材料都为300M、30CrMnSiNi2A等超高强度钢，焊接性较差，因此针对活塞杆关键零件的维修不宜采用氩弧焊补焊方法；激光填粉修复技术为这一问题的解决提供了新途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够保持基体材料性能并且产生的残余应力小的超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法。
本发明的技术解决方案是：
该方法的步骤是：
(1)制备激光熔覆修复用材料，采用等离子旋转电极雾化或氩气雾化方法制备成金属粉末，要求粉末粒度为53μm～106μm，粉末球形度≥90％，空心粉率≤0.1％，夹杂率≤5颗/200g，且夹杂的尺寸≤100μm；
(2)修复前表面清理，在荧光灯下，打磨去除裂纹缺陷，目视检查无荧光显示，去除裂纹后，缺口开口角度≤90°，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮或酒精擦洗；
(3)电磁搅拌辅助激光熔覆修复，采用电磁搅拌+同步送粉式激光熔覆复合方法恢复缺陷位置的尺寸，即在激光熔覆修复过程中，在熔池周围设置一个低频电磁搅拌器对移动的熔池进行实时搅拌；在熔覆结束后，目视检查缺口位置填满，且留有不小于0.5mm的加工余量，激光熔覆修复的工艺参数为：激光功率500W～800W，光斑直径0.3～0.8mm，速率400～600mm/min，送粉速率0.8～2.0rpm，送粉气5～10L/min，保护气体10～15L/min；电磁搅拌的工艺参数为：感应频率为5Hz，电流为0.5A～3A；激光熔覆过程采用多层熔覆，单层厚度控制在0.1～0.5mm之间，修复过程中，采用接触式手持测温仪，控制修复位置附近基体温升在150℃之内；
(4)机械加工，采用车、铣、钳等方式加工修复区域，恢复零件尺寸，满足装配要求；
(5)无损检测，采用荧光探伤和X射线方法，对激光修复位置及其周围区域进行检查，要求无裂纹、未熔合和气孔等缺陷；
(6)去应力退火，采用履带式陶瓷加热带，对激光修复区域进行局部去应力退火，消除修复区域的残余应力，热处理制度为：230℃×2h，空冷；
所述制备的激光熔覆修复用材料的室温冲击韧性≥420KJ/m2，室温塑性≥10.8％。
所述制备的激光熔覆修复用材料室温拉伸强度≥1400MPa。
本发明具有的优点和有益效果
超高强度钢的性能对温度较为敏感，当受到相对较高温度影响时，此类材料的强度会出现大幅度降低。采用输入量相对较大的氩弧焊方法进行修复时，超高强度钢构件基体的热影响区(即紧邻修复部位的基体上组织发生转变的区域，此区域的拉伸强度会出现大幅度降低)相对较大，对构件性能影响较大。因此采用热输入小、冷却速度快的激光熔覆方法进行修复时，能有效控制基体的热影响区深度，大幅减少基体强度性能降低的区域。但由于激光熔覆过程中快速熔凝过程，导致熔池中少量气体和夹渣来不及溢出而留在熔覆层中形成微气孔和夹渣缺陷，致使熔覆的修复层塑性等性能出现明显降低。
电磁搅拌辅助激光熔覆是一种复合增材制造修复方法，既继承了激光熔覆修复的优势，即激光束的能量密度高，加热和冷却速度快，对基材的热影响较小，对基材性能影响较小，引起工件的变形小；单道成形厚度可控0.1～2.0mm；通过填加不同粉末，能显著改善基体材料表面的耐蚀、耐磨等性能。同时，辅助修复的电磁搅拌处理具有强烈的搅拌熔池作用，一方面有助于加快熔池中气体溢出速度，避免表面熔覆层中微气孔的出现；另一方面有助于提高熔池的成分均匀性和细化晶粒，从而显著提高修复部位的内部冶金质量和力学性能。
本发明基于电磁搅拌辅助激光熔覆技术的优势，前期采用同一种“熔覆金属冲击韧性≥420KJ/m2、室温塑性≥10.8％、室温拉伸强度≥1400MPa”的修复用金属粉末在300M超高强度钢试板上进行了直接激光熔覆修复和电磁搅拌辅助激光熔覆修复试验，分别对这两种修复接头的室温拉伸、室温冲击和显微硬度性能进行了测试。实验结果显示，直接激光熔覆修复的平均拉伸强度为1424.3MPa，平均延伸率为11.5％，平均冲击韧性为478KJ/m2，修复金属平均显微硬度为464.6HV；电磁搅拌辅助激光熔覆修复的平均拉伸强度为1466.7MPa，平均延伸率为15.1％，平均冲击韧性为665KJ/m2，修复金属平均显微硬度为491.4HV。由此可见，采用电磁搅拌辅助激光熔覆技术修复超高强度钢构件能显著提高修复接头的室温塑性和冲击韧性，而且随着室温塑性和冲击韧性的大幅提高，将有助于降低服役过程中的开裂倾向，提高疲劳强度，从而提高修复后的延长服役寿命。
因此该发明的成果可直接用于飞机超高强度钢起落架构件裂纹缺陷的修复，为飞机翻修节约成本，也为飞机上出现类似问题提供技术支持。
具体实施方式
以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述：
根据待修复起落架活塞杆在飞机上的安装部位，分析需修复部位的受力状况和裂纹情况及原因，确认构件材料成分，制造工艺和结构组成，明确需要选择的修复材料，通过以上分析和确认，实施以下具体步骤：
该方法的步骤是：
(1)制备激光熔覆修复用材料，采用等离子旋转电极雾化或氩气雾化方法制备成金属粉末，要求粉末粒度为53μm～106μm，粉末球形度≥90％，空心粉率≤0.1％，夹杂率≤5颗/200g，且夹杂的尺寸≤100μm；粉末的这些参数保证粉末具有良好的流动性，使得激光熔覆过程中不会出现堵粉现象；
(2)修复前表面清理，在荧光灯下，采用手持电枪打磨去除裂纹缺陷，目视检查无荧光显示，去除裂纹后，缺口开口角度≤90°，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗，防止修复表面存在油污等污染物；
(3)电磁搅拌辅助激光熔覆修复，采用电磁搅拌+同步送粉式激光熔覆复合方法恢复缺陷位置的尺寸，即在激光熔覆修复过程中，在熔池周围设置一个低频电磁搅拌器对移动的熔池进行实时搅拌；在熔覆结束后，目视检查缺口位置填满，且留有不小于0.5mm的加工余量，激光熔覆修复的工艺参数为：激光功率500W～800W，光斑直径0.3～0.8mm，速率400～600mm/min，送粉速率0.8～2.0rpm，送粉气5～10L/min，保护气体10～15L/min；电磁搅拌的工艺参数为：感应频率为5Hz，电流为0.5A～3A；激光熔覆过程采用多层熔覆，单层厚度控制在0.1～0.5mm之间，修复过程中，采用接触式手持测温仪，控制修复位置附近基体温升在150℃之内，以防止基体因温度过高而出现基体大面积的相变和强度性能下降；
(4)机械加工，采用车、铣、钳等方式加工修复区域，恢复零件尺寸，满足装配要求；
(5)无损检测，采用荧光探伤和X射线方法，对激光修复位置及其周围区域进行检查，要求无裂纹、未熔合和气孔等缺陷；
(6)去应力退火，采用履带式陶瓷加热带，对激光修复区域进行局部去应力退火，消除修复区域的残余应力，热处理制度为：230℃×2h，空冷；
制备的激光熔覆修复用材料，该材料具有良好的焊接性，即室温冲击韧性≥420KJ/m2，室温塑性≥10.8％；同时采用该材料激光熔覆的试样的室温拉伸强度≥1400MPa，以保证修复金属的性能能够满足超高强度钢构件修复的技术要求。
实例一
采用电磁搅拌激光熔覆修复技术修复某型起落架活塞杆裂纹缺陷，具体步骤如下：
1.起落架活塞杆裂纹情况确认
某型飞机起落架活塞杆，材料为300M超高强度钢，在起落架活塞杆上轴套配合处唇口凸缘出现长4mm，深3mm的裂纹。
2.修复过程和检查
(1)选择室温冲击韧性约为600KJ/m2、室温塑性约15％、拉伸强度约为1450MPa的高Cr-Ni合金钢金属粉末作为激光修复材料，且采用等离子旋转电极雾化技术制备成金属粉末，粉末粒度范围53μm～90μm，粉末球形度>90％，空心粉率<0.1％，夹杂率约为4颗/200g；
(2)修复前表面清理，在荧光灯下，采用手持电枪打磨去除裂纹缺陷，目视检查无荧光显示，去除裂纹后，缺口开口角度90°，深4.5mm，上口宽9mm，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮擦洗；
(３)电磁搅拌辅助激光熔覆修复，采用电磁搅拌+同步送粉式激光熔覆复合方法恢复缺陷位置的尺寸，在熔覆结束后，目视检查缺口位置填满，且留有0.5mm的加工余量，激光熔覆修复的工艺参数为：激光功率600W，光斑直径0.8mm，速率600mm/min，送粉速率1.5rpm，送粉气5L/min，保护气体15L/min；电磁搅拌的工艺参数为：感应频率为5Hz，电流为1.5A；激光修复单层厚度约0.3mm，修复过程中，采用接触式手持测温仪，控制修复位置附近基体温升在150℃之内。
(4)机械加工，采用车+钳的方式加工修复区域，恢复零件尺寸，满足装配要求；
(5)无损检测，采用荧光探伤和X射线方法，对激光修复位置及其周围区域进行检查，检测结果显示无裂纹、未熔合和气孔等缺陷；
(6)去应力退火，采用履带式陶瓷加热带，对激光修复区域进行局部去应力退火，消除修复区域的残余应力，热处理制度为：230℃×2h，空冷。
与现有技术相比，采用本发明技术方案修复的起落架活塞杆无裂纹、气孔和夹渣缺陷，变形可控，能满足装配要求，且过程操作方便，工艺稳定，重复性好，技术成熟。可进行广泛推广。

Claims (3)

1.一种超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法，其特征在于：该方法的步骤有：
(1)制备激光熔覆修复用材料，采用等离子旋转电极雾化或氩气雾化方法制备成金属粉末，要求粉末粒度为53μm～106μm，粉末球形度≥90％，空心粉率≤0.1％，夹杂率≤5颗/200g，且夹杂的尺寸≤100μm；
(2)修复前表面清理，在荧光灯下，打磨去除裂纹缺陷，目视检查无荧光显示，去除裂纹后，缺口开口角度≤90°，用钢丝轮抛光打磨表面，最后用丙酮或酒精擦洗；
(3)电磁搅拌辅助激光熔覆修复，采用电磁搅拌+同步送粉式激光熔覆复合方法恢复缺陷位置的尺寸，即在激光熔覆修复过程中，在熔池周围设置一个低频电磁搅拌器对移动的熔池进行实时搅拌；在熔覆结束后，目视检查缺口位置填满，且留有不小于0.5mm的加工余量，激光熔覆修复的工艺参数为：激光功率500W～800W，光斑直径0.3～0.8mm，速率400～600mm/min，送粉速率0.8～2.0rpm，送粉气5～10L/min，保护气体10～15L/min；电磁搅拌的工艺参数为：感应频率为5Hz，电流为0.5A～3A；激光熔覆过程采用多层熔覆，单层厚度控制在0.1～0.5mm之间，修复过程中，采用接触式手持测温仪，控制修复位置附近基体温升在150℃之内；
(4)机械加工，采用车、铣、钳等方式加工修复区域，恢复零件尺寸，满足装配要求；
(5)无损检测，采用荧光探伤和X射线方法，对激光修复位置及其周围区域进行检查，要求无裂纹、未熔合和气孔等缺陷；
(6)去应力退火，采用履带式陶瓷加热带，对激光修复区域进行局部去应力退火，消除修复区域的残余应力，热处理制度为：230℃×2h，空冷。
2.根据权利要求1所述的一种超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法，其特征是：所述制备的激光熔覆修复用材料的室温冲击韧性≥420KJ/m2，室温塑性≥10.8％。
3.根据权利要求2所述的一种超高强度钢起落架构件裂纹的电磁搅拌激光熔覆修复方法，其特征是：所述制备的激光熔覆修复用材料室温拉伸强度≥1400MPa。
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