CN114438488A - 一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法 - Google Patents

一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光熔覆增材修复技术领域，具体为一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，包括以下步骤：根据工艺参数‑散热‑变形关系，设计防变形装置，对目前的修复用粉末进行成分优化设计并制备出修复用的粉末；对零件进行缺陷去除，再对待修复区域进行打磨、清洗；对待修复区域进行磁粉探伤检测，用铝箔对待修复区域外进行防护；将待修复零件固定在防变形装置上，使用激光熔覆设备将制备的修复粉末喷涂到待修复零件上进行修复。本发明一是焊缝成形质量好、工件变形小；二是激光熔覆接由于激光能量密度高，热输入量小，结晶速度快，焊缝晶粒细小，焊接接头机械性能较好；三是激光熔覆HAZ小；四是修理周期大大减少，周期大大缩短。

Description

一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法
技术领域
本发明涉及激光熔覆增材修复技术领域，具体为一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法。
背景技术
12Cr2Ni4A属合金钢，该钢经渗碳淬火回火后，表面有很高的强度、硬度，而且心部强度和韧塑性配合得很好，因此该钢广泛应用于飞机上截面较大、负荷较高而要求良好韧性的重要薄壁零件。某型号飞机12Cr2Ni4A钢制壳体主要作用是传递载荷，使用频率高，在使用过程中由于摩擦作用导致该壳体严重磨损，通常修理采用焊接修理，该壳体壁薄，修复过程中容易焊透，无法保证该航空零部件的正常工作性能。出现该情况的壳体目前采用换新的方式予以处理，成本较高，且常因备件供应困难造成修理进度受阻。因此，寻找该壳体增材防变形协同修复工艺以达到提高修复质量，节约成本，缩短修理周期的目的，是非常有必要的。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法。利用激光增材防变形协同再制造方法，在结构件损伤部位采用激光束加热熔覆材料和基体表面，使所需特殊材料熔焊于零件损伤表面。该技术与基体呈牢固的冶金结合，结合强度高，超高的加热和冷却速度使熔覆层晶粒细化，具有热影响小、变形小，适用性强等系列优点。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，包括以下步骤：
(一)根据工艺参数-散热-变形关系，设计防变形装置，对目前的修复用粉末进行成分优化设计并制备出修复用的粉末；
(二)对零件进行缺陷去除，再对待修复区域进行打磨、清洗；
(三)对待修复区域进行磁粉探伤检测，若检测不合格，则返工至步骤(二)，直至合格为止，用铝箔对待修复区域外进行防护；
(四)将待修复零件固定在防变形装置上，根据修复要求设定工艺参数，使用激光熔覆设备将步骤(一)中制备的修复粉末喷涂到待修复零件上进行修复；
(五)对修复后的零件表面进行机械加工处理，并在处理后进行磁力探伤检测是否有裂纹，若有裂纹，则重复步骤(二)至(五)，直至无裂纹为止；
(六)通过采用与零件材料相同的试样进行相同的修复过程，并进行力学拉伸试验，验证零件的力学性能效果。
优选地，步骤(一)中防变形装置包括基座(1)、设置在基座(1)顶部的中心定位圆环(2)、对称分布在中心定位圆环(2)两边的定位块(3)。
优选地，步骤(一)中防变形装置为紫铜材料。
优选地，步骤(一)中成分优化设计后的粉末组成成分具体为：C：0.25％～0.28％；Mn：0.7％～0.8％；Cr：0.8％～0.9％；Si：0.8％～0.9％；稀土0.008％～0.009％；S：≤0.03％，P：≤0.03％；Fe：余量。
优选地，步骤(一)中优化设计后的修复用粉末的制备具体过程为：配料、熔炼、雾化、筛粉收集、性能分析和测试。
优选地，步骤(二)中打磨、清洗具体为：采用钢丝刷或机械打磨工具清理，去除氧化层，漏出金属光泽，使用丙酮清洗。
优选地，步骤(四)中工艺参数为：
载气：99.999％的高纯氩气；
激光功率：500～800W；
扫描速度：8～10mm/s；
载粉气：380～400L/h；
搭接率：50～60％；
光斑直径：1.5～2.5mm。
优选地，步骤(四)中激光熔覆一层后清理表面氧化物，并待温度冷却至室温后再熔覆下一层。
优选地，步骤(五)中机械加工处理具体为电磨头或气动打磨。
本发明的有益效果是：
与传统氩弧焊接修复方法相比，本发明一是焊缝成形质量好、工件变形小；二是激光熔覆接由于激光能量密度高，热输入量小，结晶速度快，焊缝晶粒细小，焊接接头机械性能较好；三是激光熔覆HAZ小；四是修理周期大大减少，周期大大缩短。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1为待修飞机发电机壳体零件的结构示意图；
图2为本发明中防变形装置的结构示意图；
图3为壳体组件与防变形装置的装配示意图；
图4为本发明中增材防变形协同修复的流程图；
图5为试样的结构示意图。
图中：1、基座；2、中心定位圆环；3、定位块。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。
某飞机部附件材料为12Cr2Ni4A渗碳钢，该部附件在使用过程中与壳体组件摩擦引起严重磨损，影响装配间隙并且导致该壳体强度下降，无法保证该航空部附件的正常工作性能。出现该情况的壳体目前采用换新的方式予以处理，修理成本较高，且常因备件供应困难造成修理进度受阻。本发明创新使用激光增材再制造技术替代换新，采用激光束加热熔覆材料和基体表面，使所需特殊材料熔焊于零件表面，实现损伤件修复，延长飞机壳体使用寿命。
如图4所示，一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，包括以下步骤：
(一)根据工艺参数-散热-变形关系，设计防变形装置，对目前的修复用粉末进行成分优化设计并制备出修复用的粉末。
如图1所示，为待修的飞机发电机壳体零件，该零件为空心结构，激光熔覆容易焊透咬边，因此，必须设计激光增材防变形协同修复工艺以保证修复质量。
如图2所示，所述防变形装置由基座1、设置在基座1上的中心定位圆环2、分布在中心定位圆环2两边的两个定位块3所组成。所述中心定位圆环2的外径尺寸与机发电机壳体零件的空心内径尺寸相适配，两个定位块2与飞机发电机壳体零件上的两个凸边结构相适配。为了便于散热，所述防变形装置采用紫铜材料制成。
工艺参数-散热-变形关系为：工艺参数主要影响整个热累积过程，其主要指激光功率、扫描速度、光斑直径以及激光修复间隔时间，每次熔覆间隔越短，热累积就大，由热胀冷缩可知，热累积越大，热胀变形大；其整个修复过程采用紫铜制作的防变形工装，由于紫铜热传导快，便于散热，同时防变形工装通过定位反变形阻止变形，有利于提高修复质量。
目前的修复用粉末进行成分优化设计：
目前修复用合金粉体成分为C：0.25％～0.30％，Mn：0.7％～1.0％，Cr：0.8％～1.0％，Si：0.8％～1.0％；；S：≤0.03％，P：≤0.03％；Fe：余量。
针对各元素对合金性能影响，对目前12Cr2Ni4A钢合金粉体进行成分优化设计为：C：0.25％～0.30％，Mn：0.7％～0.9％，Cr：0.8％～0.9％，Si：0.8％～0.9％；稀土0.007％～0.010％；S：≤0.03％，P：≤0.03％；Fe：余量。
再根据各元素对合金性能影响的作用，修复用粉体最终成分优化设计为：C：0.25％～0.28％，Mn：0.7％～0.8％，Cr：0.8％～0.9％，Si：0.8％～0.9％；稀土0.008％～0.009％；S：≤0.03％，P：≤0.03％；Fe：余量。其中稀土元素为Se、Lu、Yb中至少一种，最终优选为Se。
根据修复需求，制备的修复用粉体应满足：
(a)具有良好的流动性:≤25S/50g、高球形度≥0.99，以及低氧含量≤500ppm。
(b)粉末材料的热膨胀系数在(8-9)10－6K－1、导热性在(90-120)Wm—1K－1、熔点在1400-1500℃，应尽可能与被修复部件材料相近，以降低合金层的残余应力。
(c)具有良好的润湿性，润湿性与表面张力有关，表面张力越小，润湿角越小，液体流动性越好，粉末熔融状态润湿角≤70°。
修复用粉末的制备：包括：配料、熔炼、雾化、筛粉收集、性能分析和测试。
(A)配料的具体过程为：先进行配料，按照优选合金粉体成分的要求进行预制合金母材的预处理，包括除油、除锈等。取样品对化学成分、气体含量及杂质含量进行分析，若满足步骤(一)中确定的化学成分要求后，方可进行下一步；如若不满足要求，需重新配置原料，直至满足要求。
(B)熔炼的具体过程为：调整电源熔炼功率以及熔炼频率，熔炼功率：35-45KW，熔炼频率：3-4KHz；对配料好后的母材进行熔炼，得到合金溶液。
(C)雾化的具体过程为：在雾化过程中，通过控制雾化温度、雾化压力、气体流量及合金量流量等工艺参数控制粉末质量，其中，雾化温度为1400-1500℃，雾化压力为4-6MPa，气体流程为18-25L/min，合金量流量为0.6-1.2L/min。雾化完成后，制备的合金粉体通过旋风器收集于集粉罐中，集粉罐在密封状态下直接转入手套箱。
(D)筛粉收集的具体过程为：用60目的标准筛进行筛分，-60目的粉末装入不锈钢容器中保存，整个过程均处于氩气保护环境中，这样就保证了所制备粉末的洁净度。之后对粉末进行收集与筛分，采用270目和100目筛网筛分得到53-150μm段粒度的粉末。
(E)性能分析和测试的具体过程为：对筛分好的粉末进行成分分析、微观组织分析及粉末的性能测试(包括流动性、松装密度等)，最终得到满足成分设计要求的粉末。
(二)对零件进行缺陷去除，再对零件的待修复区域周围20mm的范围内用钢丝刷或机械打磨工具清理，去除氧化层，确保露出金属光泽、表面洁净并用丙酮清洗。
(三)对待修复区域进行磁粉探伤检测，若检测不合格，则返工至步骤(二)，直至合格为止，用铝箔等保护零件除修复区域以外激光可能照射到的其他部分，防止修复过程中受激光辐照损伤其他零件基体。
(四)将待修复零件固定在防变形装置上，如图3所示，根据修复要求设定工艺参数，使用激光熔覆设备将步骤(一)中制备的修复粉末喷涂到待修复零件上进行修复。修复过程中，激光熔覆一层后清理表面氧化物，并待温度冷却至室温后再熔覆下一层。
工艺参数如下：
激光熔覆设备：激光熔覆成套设备(2KWIPG激光器、库卡机器人等)；
载气：99.999％的高纯氩气；
激光功率：500～800W；
扫描速度：8～10mm/s；
载粉气：380～400L/h；
搭接率：50～60％；
光斑直径：1.5～2.5mm。
(五)对修复后的零件表面进行电磨头或气动打磨、车削后磨削(研磨)等机械方法进行表面加工处理，并在处理后进行磁力探伤检测是否有裂纹，若有裂纹，则重复步骤(二)至(五)，直至无裂纹为止。
(六)通过采用与零件材料相同的试样进行相同的修复过程，并进行力学拉伸试验，验证零件的力学性能效果。
具体的，采用与飞机部附件相同的12Cr2Ni4A材料加工拉力试棒，试棒上预制槽型缺口，其试样形式如图5所示，利用激光熔覆将试样上槽坑填平，并制作棒状拉伸试样后进行X射线探伤，检测熔覆区域内部缺陷情况。焊缝位于试样的中心。拉伸试验在拉伸机上进行。检测激光熔覆试验件力学性能如下表。
Figure BDA0003427311130000061
试验结果表明，在12Cr2Ni4A渗碳钢基体上激光增材优选设计的合金粉末，可以获得90％以上的抗拉强度效果，保证了飞机安全，延长了飞机使用寿命，具有很高的经济效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
(一)根据工艺参数-散热-变形关系，设计防变形装置，对目前的修复用粉末进行成分优化设计并制备出修复用的粉末；
(二)对零件进行缺陷去除，再对待修复区域进行打磨、清洗；
(三)对待修复区域进行磁粉探伤检测，若检测不合格，则返工至步骤(二)，直至合格为止，用铝箔对待修复区域外进行防护；
(四)将待修复零件固定在防变形装置上，根据修复要求设定工艺参数，使用激光熔覆设备将步骤(一)中制备的修复粉末喷涂到待修复零件上进行修复；
(五)对修复后的零件表面进行机械加工处理，并在处理后进行磁力探伤检测是否有裂纹，若有裂纹，则重复步骤(二)至(五)，直至无裂纹为止；
(六)通过采用与零件材料相同的试样进行相同的修复过程，并进行力学拉伸试验，验证零件的力学性能效果。
2.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(一)中防变形装置包括基座(1)、设置在基座(1)顶部的中心定位圆环(2)、对称分布在中心定位圆环(2)两边的定位块(3)。
3.根据权利要求2所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(一)中防变形装置为紫铜材料。
4.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(一)中成分优化设计后的粉末组成成分具体为：C：0.25％～0.28％；Mn：0.7％～0.8％；Cr：0.8％～0.9％；Si：0.8％～0.9％；稀土0.008％～0.009％；S：≤0.03％，P：≤0.03％；Fe：余量。
5.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(一)中优化设计后的修复用粉末的制备具体过程为：配料、熔炼、雾化、筛粉收集、性能分析和测试。
6.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(二)中打磨、清洗具体为：采用钢丝刷或机械打磨工具清理，去除氧化层，漏出金属光泽，使用丙酮清洗。
7.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(四)中工艺参数为：
载气：99.999％的高纯氩气；
激光功率：500～800W；
扫描速度：8～10mm/s；
载粉气：380～400L/h；
搭接率：50～60％；
光斑直径：1.5～2.5mm。
8.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(四)中激光熔覆一层后清理表面氧化物，并待温度冷却至室温后再熔覆下一层。
9.根据权利要求1所述的一种飞机发电机壳体增材防变形协同修复方法，其特征在于：步骤(五)中机械加工处理具体为电磨头或气动打磨。
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