阅读说明：本技术 一种钛合金表面氮化层的激光修复方法 (Laser repairing method for titanium alloy surface nitride layer ) 是由 姚建华 张天亮 吴国龙 陈智君 董刚 于 2020-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明结合选区激光熔化技术和激光气体氮化技术提出一种针对钛合金表面氮化层修复的方法,完成修复后区域无裂纹,且与相临氮化层和基体之间有良好的冶金结合；本发明首先对存在缺陷的氮化层区域进行铣削加工,在加工后的凹槽处预置钛合金粉末,利用小光斑激光器辐照待加工区域,同时沿着工件表面提供一定浓度的氮气源,使钛合金粉末熔化再凝固为金属实体的同时进行气体氮化,以达到填补铣削加工区域并修复氮化层的目的。(The invention provides a method for repairing a titanium alloy surface nitrided layer by combining a selective laser melting technology and a laser gas nitriding technology, so that the repaired area has no crack, and the repaired area has good metallurgical bonding with an adjacent nitrided layer and a substrate; the method comprises the steps of firstly milling a defective nitride layer area, presetting titanium alloy powder at the processed groove, irradiating the area to be processed by using a small-spot laser, and simultaneously providing a nitrogen source with a certain concentration along the surface of a workpiece, so that the titanium alloy powder is melted and then solidified into a metal entity, and simultaneously gas nitriding is carried out, thereby achieving the purposes of filling the milled area and repairing the nitride layer.)

一种钛合金表面氮化层的激光修复方法

技术领域

本发明属于氮化层的修复方法，具体涉及一种用于钛合金表面氮化层的激光修复方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能好等优点。在钛合金表面制备氮化层是通过一定的加工方法，使氮元素从待加工工件表面向内扩散，最终形成一层具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性及良好耐磨导热性的氮化层。当钛合金材料的工件面对恶劣的工作环境时，制备这层氮化强化层是补强其性能的一种表面防护手段。而通常制备这类氮化层的加工方法一般为固体氮化和激光气体氮化，后者相对前者来说有着更高的渗氮效率，并且能对氮化的区域进行选择性的控制。

针对此种表面有氮化层保护层的钛合金工件，在高使用频率，长工作时间的环境下，表面涂层不可避免的会出现磨损、裂纹等缺陷，最终导致部分区域涂层失效，对该部分的基体零件性能造成损伤。现通过此种选区性的氮化层激光修复方法，可以保证完整修复已损伤的氮化层，并使其达到良好的冶金结合，极大地延长此种含氮化层钛合金工件的使用寿命。

发明内容

针对此种钛合金工件表面氮化层出现缺陷的情况，本发明提供了一种钛合金表面氮化层激光修复的方法。本发明首先在已存在缺陷的钛合金表面氮化层区域进行铣削加工，直至完全去除掉缺陷部位，然后在已铣削部位铺设预置钛合金粉末，平行氮化层表面送氮气、氩气混合工作气体，利用激光作用使粉层凝固为实体，填补铣削加工区域的同时，制备出所需的氮化层。

本发明的技术方案如下：

一种钛合金表面氮化层的激光修复方法，所述方法包括如下步骤：

(1)前处理：铣削去除钛合金工件表面氮化层的缺陷区域，然后清洗，晾干，即为待加工区域；

优选的，相对于工件原有表面，控制每次铣削深度为0.2～0.4mm，铣削完成后进行探伤，保证待加工区域已无裂纹；如探伤后仍有缺陷，则继续铣削，直至去除表面划伤、裂纹等缺陷，获得平整的待加工区域，然后用乙醇对待加工区域进行清洗并晾干；

所述钛合金为Ti-6Al-4V，成分为Al：5.5～6.8％；V：3.5～4.5％；Fe≤0.3％；C≤0.1％；H≤0.015％；N≤0.05％；O≤0.2％；余量为Ti；

(2)激光加工：在待加工区域铺设预置钛合金粉末，对粉末层进行选区激光熔化，同时提供氮气源，使粉末层在成形的过程中同时生成氮化层；

优选的，单次铺设的粉末层厚度在0.1～0.2mm；

所述钛合金粉末为Ti-6Al-4V，成分为Al：5.5～6.8％；V：3.5～4.5％；Fe≤0.3％；C≤0.1％；H≤0.015％；N≤0.05％；O≤0.2％；余量为Ti；所述钛合金粉末为气雾法制成的球状粉末，粒径为45～106μm，粉末纯度为99.9％，使用前在120℃的真空干燥箱中烘干120min；

所述选区激光熔化的工艺中，激光器焦距为510～530mm，激光功率300～500W，线间距0.16～0.28mm，扫描速度100～300mm/s；所述激光器为振镜连续光纤激光器；

激光加工过程中在平行工件表面方向同步送氮气源，所述氮气源为氮气、氩气的混合工作气体，其中，氮气占混合工作气体的比例意味着氮化程度，按实际情况调整；

优选重复激光加工步骤直至修复区域高于原有表面0～0.2mm；

(3)后处理：对修复区域进行磨削处理，除去高于原有氮化层的区域，使加工部分恢复原有尺寸精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.修复区域与工件、与氮化层都能达到良好的冶金结合。

2.所有过程无需在密封环境下进行，加工环境要求低，加工过程效率高。

3.修复的氮化层无裂纹缺陷，且其耐磨耐蚀性及高温化学稳定性都能达到原有需求，能良好替代原有氮化层的保护作用，使用较低成本延长工件的使用寿命。

附图说明

图1本发明工艺流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

粉末选择：铺设的预置粉末为采用气雾法制粉工艺制备而成的Ti-6Al-4V钛合金粉末，成分为(Al：5.5～6.8％；V：3.5～4.5％；Fe≤0.3％；C≤0.1％；H≤0.015％；N≤0.05％；O≤0.2％；余量为Ti)，粒径为45～106μm，粉末形貌为球形。

激光器选择：IPG连续光纤激光器型号YLR-1500-MM-WC。

前处理：铣削去除钛合金工件表面氮化层的缺陷区域，假设相对于工件原有表面铣削深度为0.4mm后探伤已无裂纹，用乙醇对待加工区域进行清洗并晾干。

后处理：对修复区域进行磨削处理，除去高于原有氮化层的区域，使加工部分恢复原有尺寸精度。

实施例一

激光加工：在待加工区域铺设预置钛合金粉末，单次铺设的粉末层厚度在0.1mm。选区激光熔化的工艺中激光器焦距为520mm，激光功率300W，线间距0.16mm，扫描速度100mm/s，扫描策略为往复扫描。重复5次铺粉及激光加工步骤。激光加工过程中在平行工件表面方向同步送氮气、氩气的混合工作气体，混合气体的总流量在15L/min。其中，氮气占混合气体的比例在自下而上的加工层中依次为20％、20％、40％、80％、40％。

实施例二

激光加工：在待加工区域铺设预置钛合金粉末，单次铺设的粉末层厚度在0.15mm。选区激光熔化的工艺中激光器焦距为520mm，激光功率400W，线间距0.22mm，扫描速度200mm/s。重复3次铺粉及激光加工步骤。激光加工过程中在平行工件表面方向同步送氮气、氩气的混合工作气体,混合气体的总流量在15L/min。其中，氮气占混合气体的比例在自下而上的加工层中依次为20％、40％、80％。

实施例三

激光加工：在待加工区域铺设预置钛合金粉末，单次铺设的粉末层厚度在0.2mm。选区激光熔化的工艺中激光器焦距为520mm，激光功率500W，线间距0.28mm，扫描速度100mm/s。重复3次铺粉及激光加工步骤直。激光加工过程中在平行工件表面方向同步送氮气、氩气的混合工作气体,混合气体的总流量在15L/min。其中，氮气占混合气体的比例在自下而上的加工层中依次为20％、80％、40％。