CN111235380A - 一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，包括以下步骤：S1，将损伤金属构件的损伤部位附近的材料切除，形成待补料的缺口；S2，对缺口的表面进行表面强化处理；S3，对经过强化的表面进行清理；S4，采用3D打印方法对经过清理的缺口进行材料填充，并超出损伤金属构件的初始外形轮廓；S5，按照损伤金属构件的初始外形，采用切削方法对填充的材料进行表面精加工，从而达到损伤金属构件的外形轮廓精度要求。本发明的技术方案有利于提高损伤金属构件修复后的机械性能。

Description

一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法
技术领域
本发明涉及金属构件的损伤修复技术领域，特别涉及一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法。
背景技术
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题，目前，金属材料在使用过程中经常出现表面腐蚀或出现疲劳裂纹的情况，国内外资料统计数据显示，每年因构件损伤而造成大量的经济损失，其中有一部分是可以修复再利用的结构损伤。目前针对损伤金属零件所采取的处理方法，最简单的方法是对损伤部位进行简单处理，如将腐蚀产物去除或将微小裂纹切除，然后继续使用。这样所产生的缺口将导致构件强度的下降，存在一定的安全隐患。其次常用的方法是对缺口进行材料填充，目前堆焊方式应用较为广泛，但存在一些问题，如焊接部位热影响严重、材料变脆，堆焊部位表面存在残余拉应力，降低构件疲劳寿命等。随着再制造技术的不断研究，3D打印技术逐渐代替堆焊方法用于构件损伤部位的外形及强度修复。虽然3D打印与堆焊相比，其热影响区要小得多，但其热影响机理相同，仍然存在类似的结果，只是程度不同而已。3D打印热影响区的主要表现，在于被修复构件表面由里及表存在两方面的参数梯度特征：一是残余拉应力逐渐增加，二是晶粒逐渐粗化。但不管是表面的残余拉应力还是较粗大的晶粒，都将对材料的力学性能造成不利影响，不利于提高修复构件的疲劳强度。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，提高修复构件的强度和疲劳寿命。
根据本发明实施例的损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将损伤金属构件的损伤部位附近的材料切除，形成待补料的缺口；
S2，对缺口的表面进行表面强化处理；
S3，对经过强化的表面进行清理；
S4，采用3D打印方法对经过清理的缺口进行材料填充。
在可选或优选的实施例中，在步骤S2中，表面强化处理采用的方法为冲击强化，冲击方向与表面的角度定义为δ，δ＝90°±5°。
在可选或优选的实施例中，在步骤S2中，表面强化处理采用的方法为脉冲激光冲击工艺技术。
在可选或优选的实施例中，在步骤S2中，表面强化处理采用的方法为喷丸工艺技术。
在可选或优选的实施例中，在步骤S4中，填充的打印材料采用与损伤金属构件相同的材料粉末。
在可选或优选的实施例中，在步骤S4中，先采用3D打印方法对经过清理的缺口进行材料填充，直至超出损伤金属构件的初始外形轮廓；后按照损伤金属构件的初始外形，采用切削方法对填充的材料进行表面精加工，从而达到损伤金属构件的外形轮廓精度要求。
基于上述技术方案，本发明实施例至少具有以下有益效果：在对缺口的表面进行冲击强化时，将会得到由表及里两方面的参数梯度变化特征，一是残余应力由压变拉再还原至零，二是晶粒尺寸由小变大至原构件晶粒度。这两项特征的参数梯度变化趋势均与后续3D打印所产生的梯度变化方向刚好相反，有利于得到较为均匀的应力分布和晶粒度，因此有利于提高损伤金属构件修复后的机械性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它设计方案和附图。
图1是本发明实施例中存在微裂纹或腐蚀的损伤金属构件的结构示意图；
图2是本发明实施例的损伤金属构件的修复流程图；
图3是本发明实施例中缺口的局部示意图；
图4是本发明实施例中缺口表面冲击强化形成的残余应力沿深度方向的分布示意图；
图5是本发明实施例中缺口表面冲击强化形成的表面层局部晶粒尺寸分布示意图；
图6是本发明实施例中缺口表面3D打印形成的残余应力沿深度方向的分布示意图；
图7是本发明实施例中缺口表面3D打印形成的表面层局部晶粒尺寸分布示意图；
图8是本发明实施例中损伤金属构件修复后的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如中心、纵向、横向、长度、宽度、厚度、上、下、前、后、左、右、竖直、水平、顶、底、内、外、顺时针、逆时针、轴向、径向、周向等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数，除非另有明确具体的限定。此外，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、布置、安装、连接、相连、固定等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，第一特征在第二特征上或下，可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征之上/上方/上面，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下/下方/下面，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
图1出示了存在微裂纹或腐蚀的损伤金属构件10的结构示意图。
参照图2，一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，包括以下步骤：
S1，将损伤金属构件10的损伤部位11附近的材料切除，形成待补料的缺口12，如图3所示。
S2，对缺口的表面进行表面强化处理，作为优选，表面强化处理采用的方法为冲击强化，冲击方向与表面的角度定义为δ，δ＝90°±5°，可以理解为，冲击方向尽量与表面垂直。另外，具体的，本实施例中，所采用的表面强化处理方法为脉冲激光冲击工艺技术，从而在缺口12表面层形成两方面的参数梯度特征，一是残余应力由表及里先是较大压应力逐渐变成较小拉应力再回归到零，如图4所示；二是表面层局部微观晶粒由表及里先是较小尺寸逐渐还原为较大尺寸，如图5所示。在其它的实施例中，表面强化处理采用的方法可以为喷丸工艺技术。
S3，对经过强化的表面进行清理。
S4，采用3D打印方法对经过清理的缺口进行材料填充，其中，填充的打印材料采用与损伤金属构件10相同的材料粉末。
具体而言，在步骤S4中，先采用3D打印方法对经过清理的缺口12进行材料填充，直至略超出损伤金属构件10的初始外形轮廓。由于在3D打印时存在一定的热影响区，单独进行3D打印的时候将在缺口表面产生两方面的参数梯度特征，一是残余应力由表及里先是较大的拉就力逐渐变成较小的压应力再回归到零，如图6所示；二是表面层局部微观晶粒由表及里先是较大尺寸逐渐还原为较小尺寸，如图7所示。而之前进行脉冲激光冲击强化形成了反向的参数梯度，两道工序的结果叠加便可以在缺口12表面层得到较为均匀的残余应力及晶粒度分布。有利于修复构件获得较好的机械性能。
在步骤S4中，缺口12进行材料填充后，由于3D打印技术暂时无法获得与切削加工同等精度的精确外形轮廓尺寸，因此，需要按照损伤金属构件10的初始外形，最后对3D打印时预留的外形余量进行切削加工，从而得到与原设计构件相同精度等级的修复构件20，如图8所示，可以理解为，图3中的缺口12已经修复，并且在原材料与填充材料的分界面附件具有分布较为均匀的残余应力及微观晶粒度。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将损伤金属构件的损伤部位附近的材料切除，形成待补料的缺口；
S2，对缺口的表面进行表面强化处理；
S3，对经过强化的表面进行清理；
S4，采用3D打印方法对经过清理的缺口进行材料填充。
2.根据权利要求1所述的损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，表面强化处理采用的方法为冲击强化，冲击方向与表面的角度定义为δ，δ＝90°±5°。
3.根据权利要求1或2所述的损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，表面强化处理采用的方法为脉冲激光冲击工艺技术。
4.根据权利要求1或2所述的损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，表面强化处理采用的方法为喷丸工艺技术。
5.根据权利要求1所述的损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于：在步骤S4中，填充的打印材料采用与损伤金属构件相同的材料粉末。
6.根据权利要求1所述的损伤金属构件修复时表面层特征参数梯度的控制方法，其特征在于：在步骤S4中，先采用3D打印方法对经过清理的缺口进行材料填充，直至超出损伤金属构件的初始外形轮廓；后按照损伤金属构件的初始外形，采用切削方法对填充的材料进行表面精加工，从而达到损伤金属构件的外形轮廓精度要求。
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