一种镁合金增材修复再制造的方法
阅读说明：本技术 一种镁合金增材修复再制造的方法 (Magnesium alloy additive repairing remanufacturing method ) 是由 王晓明 朱建 任智强 王文宇 朱胜 周克兵 赵阳 韩国峰 田根 何东昱 臧艳 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种镁合金增材修复再制造的方法,属于镁合金修复再制造技术领域。包括：镁合金零部件损伤表面的处理；测量损伤区域的几何参数,确定损伤体积,基于损伤体积确定增材修复的工艺；采用激光-电弧复合成形设备对机械打磨后的损伤件进行精确修复；将修复后的损伤件进行去应力退火；增材修复件的表面精修。本发明能够破除镁合金增材过程中的晶粒粗化,无热影响区,成形层晶粒细小,并且避免了气孔和裂纹等缺陷的产生,成形层的力学性能因晶粒细化较基体明显改善。(The invention provides a magnesium alloy additive repairing remanufacturing method, and belongs to the technical field of magnesium alloy repairing remanufacturing. The method comprises the following steps: treating the damaged surface of the magnesium alloy part; measuring geometric parameters of a damaged area, determining a damaged volume, and determining an additive repair process based on the damaged volume; accurately repairing the mechanically polished damaged part by adopting laser-electric arc composite forming equipment; carrying out stress relief annealing on the repaired damaged part; and (5) performing surface finishing on the additive repairing piece. The invention can break the coarsening of crystal grains in the magnesium alloy material increase process, has no heat influence area, has fine crystal grains of a forming layer, avoids the generation of defects such as air holes, cracks and the like, and obviously improves the mechanical property of the forming layer compared with a matrix due to the grain refinement.)
技术领域
本发明属于镁合金修复再制造技术领域，涉及一种镁合金增材修复再制造的方法。
背景技术
镁合金集密度低、比强度和比刚度高、铸造性能好、易切削加工、阻尼吸震性能强、抗冲击、易回收和资源丰富等优点，是各国政府、科研机构及企业界高度认可的轻量化材料，已逐步应用于汽车制造、航空航天、轨道交通等现代工业。
但是，镁合金存在两大“瓶颈”：(1)镁合金的电极电位很低、表面氧化膜疏松不致密，致使镁合金零部件极易发生大规模腐蚀损伤；(2)镁合金的硬度低、耐磨性差，表面极易发生滑动磨损或微动磨损，造成镁合金零/构件产生磨损裂纹甚至局部破损。这两大问题严重限制镁合金的发展和应用，因此，修复镁合金零部件的表面损伤，不仅能使损伤零部件循环使用，节省经济成本，产生社会效益，还能推动镁合金的更广泛工业应用。
当前，镁合金的增材制造，主要采用传统的堆焊和熔覆工艺及新型激光成形技术，例如，CN201410247205.X公开了一种镁合金零件的堆焊成形再制造方法，采用传统的堆焊工艺对镁合金零件进行再制造。CN201710969036.4发明公开了一种基于激光3D打印成形的高性能镁基复合材料及其制备方法，采用新型激光成形技术对装备镁合金零部件的修复。CN201810464169.0发明公开了一种CMT—超声振动复合增材制造方法，在CMT电弧增材制造的同时在基板上进行超声振动，施加超声振动后，可获得具有细小均匀的非枝晶组织的构件。CN201811624111.4发明公开了用于高性能镁合金零件制造的方法，先将镁合金粉体烘干筛取得到细小粉末，然后将细小粉末装入设备中熔化。打印、成形，得到镁合金零件。CN201910079686.0公开了一种镁合金的丝材电弧增材制造方法，采用电弧增材制造方法对装备镁合金零部件的修复。CN201911393713.8公开了一种镁合金结构件的电弧增材制造方法及其所用设备，采用电弧增材制造方法对装备镁合金零部件的修复。
上述镁合金零部件增材修复再制造的方法中，存在以下技术缺陷：传统的堆焊和熔覆工艺及新型激光成形技术对装备镁合金零部件的修复效果不理想，修复后的零部件无法达到使役要求，这是由镁合金特殊的理化性质所决定的。一方面，镁合金对再制造成形技术要求十分严格，传统堆焊或熔覆等方法加热效率低、加热时间长、对基体热输入大，导致镁合金零部件修复时成形层缺点多、性能差，不适于镁合金零部件的再制造，同时现代生产对再制造的要求逐渐趋向高功能、高精度、高可靠性、高效率的方向，传统技术已远远不能适应这些要求；另一方面，新型激光热源成形技术虽然具有功率密度高、自动化程度高、对基体组织性能影响小、修复精度高和修复区性能优异等突出优点，但是镁合金的激光反射率极高，造成激光能量利用率低、能量损耗大、成形效果差，并且镁合金的熔点低、易氧化、稀释率高，对激光热源修复材料的选择限制多。
发明内容
为克服镁合金损伤零部件难以修复的瓶颈，本发明提供了一种镁合金增材再制造的方法。
本发明提供的技术方案如下：
本发明提供了一种镁合金增材再制造的方法，该方法按以下步骤实施：
镁合金零部件损伤表面的处理；
测量损伤区域的几何参数，确定损伤体积，基于所述损伤体积确定增材修复的工艺；
采用激光-电弧复合成形设备对机械打磨后的损伤件进行精确修复；激光焊枪与损伤表面的角度为90°，电弧焊枪与损伤表面的角度为50-70°；电弧电流为85-115A，电弧电压为15-20V，激光功率为1.5-3KW；所使用的焊丝为镁合金焊丝，直径为1-2mm；送丝速度为2.4-4.8m/mim，焊接速度为1.2-2.4m/mim；进行多层堆积时，层间等待时间为10-20s，成形路径为往复式；
将修复后的损伤件进行去应力退火；
增材修复件的表面精修。
进一步地，镁合金零部件损伤表面的处理，包括：对镁合金零件缺陷部位进行机械加工，去除缺陷，直至露出新鲜的金属表面，对于裂纹损伤要使用着色剂探伤法检测裂纹是否打磨干净。
进一步地，测量损伤区域的几何参数，包括：采用激光轮廓仪测量损伤区域的几何参数。
进一步地，增材修复的工艺，包括：当缺陷区域宽度小于或等于单道焊缝宽度，且深度低于余高时，采用单层单道增材恢复损伤体积；当缺陷区域宽度小于或等于单道焊缝宽度，且深度大于或等于余高时，采用多层单道增材恢复损伤体积；当缺陷区域宽度大于单道焊缝宽度，且深度小于余高时，采用单层多道增材恢复损失体积；当缺陷区域宽度大于单道焊缝宽度，且深度大于或等于余高时，采用多层多道增材恢复损失体积。
进一步地，增材修复件的表面精修，包括：采用2000目的砂纸对修复后的损伤件表面进行打磨精修，使损伤件恢复到原始的几何尺寸和表面状态。
进一步地，去应力退火的参数包括：退火温度为150-200℃，退火时间为30-90min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用激光-电弧复合成形技术应用于镁合金损伤件的增材修复再制造，该方法为激光-电弧两种热源复合熔丝成形，损伤零部件材质为不同牌号的镁合金。将两种工艺交叉融合、优势互补，最终达到1+1>2的效果。本发明能够破除镁合金增材过程中的晶粒粗化，无热影响区，成形层晶粒细小，并且避免了气孔和裂纹等缺陷的产生，成形层的力学性能因晶粒细化较基体明显改善。本发明工艺流程简单，操作简便，效率高，精度高，适用于汽车航空航天、轨道交通、工程机械、等领域的镁合金零损伤件的修复再制造，对节约镁合金的使用成本、拓宽其应用范围具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中采用的激光电弧复合成形的原理示意图。
图2为本发明实施例中修复层与原始基体界面处的SEM图像。
图3为本发明实施例中修复层和原始基体界面处的硬度分布图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
目前，激光和电弧复合热源制造的应用研究主要是针对汽车、造船、航空和石油管道等行业的薄板焊接，中厚钢板焊接和铜铝合金等高反射材料的焊接方面，有关增材制造，尤其是增材再制造方面的研究和应用很少。开展镁合金激光-电弧复合增材再制造的相关对镁合金损失零部件的循环应用具有积极意义，可促进镁合金应用领域。
本发明采用激光-电弧复合成形技术进行镁合金修复再制造，将激光和电弧两种不同的热源有机结合在一起，与激光、电弧单一热源成形相比，其具有如下优点：(1)提高激光和电弧的能量利用率，更适用于成形镁合金等高激光反射类材料；(2)增加熔池深度，改善焊接接桥性，提高焊接速度；(3)激光-电弧复合热源成形过程中，激光辐照熔池使金属蒸发并电离，进而提高成形过程焊接稳定性；(4)降低应力，改善焊缝成形，并且还能提高成形精度；(5)减少成形缺陷；(6)改善成形层微观组织及性能。该技术既充分发挥两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足,无论从镁合金增材修复再制造技术需求角度，还是从成形质量、生产效率、生产成本等角度考虑，该技术都具有重要的工业应用价值。
采用激光-电弧复合成形设备对机械打磨后的损伤件进行精确修复时，激光焊枪与损伤表面的角度为90°，电弧焊枪与损伤表面的角度为50-70°；电弧电流为85-115A，电弧电压为15-20V，激光功率为1.5-3KW；所使用的焊丝为镁合金焊丝，直径为1-2mm；送丝速度为2.4-4.8m/mim，焊接速度为1.2-2.4m/mim；进行多层堆积时，层间等待时间为10-20s，成形路径为往复式。
在采用激光-电弧复合成形设备对机械打磨后的损伤件进行精确修复之前，先测量损伤区域的几何参数，确定损伤体积，基于损伤体积确定增材修复的工艺，增材修复工艺包括：单道焊缝成形宽度可达7mm、余高可达1mm、，当缺陷区域宽度小于或等于单道焊缝宽度时，且深度低于余高时，采用单层单道增材恢复损伤体积；当缺陷区域宽度小于或等于单道焊缝宽度，且深度大于或等于余高时，采用多层单道增材恢复损伤体积；当缺陷区域宽度大于单道焊缝宽度，且深度小于余高时，采用单层多道增材恢复损失体积；当缺陷区域宽度大于单道焊缝宽度，且深度大于或等于余高时，采用多层多道增材恢复损失体积。
实施例1：
本实施例中的镁合金修复再制造对象为一飞机ZM5飞轮零件，使用过程中腐蚀和磨损联动产生了体积损伤，采用激光轮廓仪测量到损伤区域在长宽深分别为30mm×20mm×2mm的范围内。针对该镁合金增材修复再制造对象进行镁合金增材修复再制造的方法包括以下步骤：
S101、镁合金零部件损伤表面的处理。
采用机械加工的方法在损伤处处开一个长宽深分别为31mm×21mm×3mm的凹槽，去除缺陷及其表面腐蚀/磨损产物，直至露出新鲜的金属表面，对于裂纹损伤要使用着色剂探伤法检测裂纹是否打磨干净。
S102、基于损伤的几何特征和体积确定采用多层多道增材修复的工艺，层间等到时间为10s。
S103、激光-电弧复合成形技术恢复零件损伤体积。
采用激光-MIG复合多层多道增材对机械打磨后的损伤件进行精确修复，激光焊枪与损伤表面的角度为90°，电弧焊枪与损伤表面的角度为60°；电弧电流为90A，电弧电压为15-20V，激光功率为2KW；所使用的焊丝为ZM5焊丝，直径为1.2mm；送丝速度为2.5m/mim，焊接速度为1.8m/mim；保护气体流量20L/min，采用纯氩气保护。
S104、增材修复件的去应力退火。
将修复后的损伤件进行去应力退火，退火温度为150℃，退火时间为60min。
S105、增材修复件的表面精修。
采用2000目的砂纸对修复后的损伤件表面进行打磨精修，去除毛刺及飞溅等，使损伤件恢复到原始的几何尺寸和表面状态。
利用扫描电子显微镜观察了修复层与基体的界面组织，图2为本发明修复层与原始基体界面处的SEM图像。可见，修复成形层中无裂纹、气孔产生，金相组织为均匀细小的等轴晶；由于激光成形过程中冷速快，所以在界面附近没有形成热影响区。
采用显微硬度计测试了修复层和原始基体界面处的硬度，加载载荷为20g，加载时间为10s，每个位置区域测试了10次，取平均值作为该区域的硬度。图3为本发明的修复层和原始基体界面处的硬度分布图，可见成形层的硬度较基体显著提高，这是因为激光的亚快速凝固效应使成形区的晶粒细化，从而引起成形区细晶强化现象。
实施例2：
本实施例中的镁合金修复再制造对象为一飞机ZM5飞轮零件，使用过程中腐蚀和磨损联动产生了体积损伤，采用激光轮廓仪测量到损伤区域在长宽深分别为4mm×2mm×1mm的范围内。针对该镁合金增材修复再制造对象进行镁合金增材修复再制造的方法包括以下步骤：
S201、镁合金零部件损伤表面的处理。采用机械加工的方法在损伤处处开一个长宽深分别为4.5mm×2.5mm×1.5mm的凹槽，去除缺陷及其表面腐蚀/磨损产物，直至露出新鲜的金属表面，对于裂纹损伤要使用着色剂探伤法检测裂纹是否打磨干净。
S202、基于损伤的几何特征和体积确定采用两层单道的增材修复工艺。
S203、采用激光-电弧复合成形技术恢复零件损伤体积。
采用激光-MIG复合两层单道增材工艺对机械打磨后的损伤件进行精确修复，激光焊枪与损伤表面的角度为90°，电弧焊枪与损伤表面的角度为60°；电弧电流为90A，电弧电压为15-20V，激光功率为2KW；所使用的焊丝为ZM5焊丝，直径为1.2mm；送丝速度为2.5m/mim，焊接速度为1.8m/mim；保护气体流量20L/min，采用纯氩气保护。多道搭接时，选用的搭接率为50％；进行两层堆积时，层间等待时间为10s，成形路径为往复式。
S204、增材修复件的去应力退火。
将修复后的损伤件进行去应力退火，退火温度为150℃，退火时间为30min。
S205、增材修复件的表面精修。
采用2000目的砂纸对修复后的损伤件表面进行打磨精修，去除毛刺及飞溅等，使损伤件恢复到原始的几何尺寸和表面状态。
利用扫描电子显微镜观察了修复层与基体的界面组织，所得结果与实施案例1一致。
采用显微硬度计测试了修复层和原始基体界面处的硬度，加载载荷为20g，加载时间为10s，每个位置区域测试了10次，取平均值作为该区域的硬度。所得结果与实施例1一致。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
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