[發明專利]基于預置梯度溫度場調控的金屬零件激光沉積修復方法與裝置

有效

• 申請號: 201310665362.8
• 申請日: 2013-12-06
• 公開（公告）號: CN103624259A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 卞宏友;韓雙隆;楊光;王維;欽蘭云;范欽春;崔寶磊;尚純
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F7/04;C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所(普通合伙) 21229
• 代理人: 甄玉荃

技術領域：本發明涉及一種金屬零件的修復方法和裝置，尤其是一種基于預置梯度溫度場調控的金屬零件激光沉積修復方法與裝置。

背景技術：金屬零件激光沉積修復技術是指：以激光為熱源，以金屬粉末為原材料，基于層層疊加制造的快速原型原理，通過激光對同軸輸送的金屬粉末材料按照規劃的掃描路徑實現逐層熔化堆積，修復具有三維形狀的金屬功能零件的技術，也稱之為激光成形修復技術等；依此工藝流程來直接成形制造金屬功能零件的技術被稱為激光沉積成形技術，也稱之為激光快速成形技術；可統稱為金屬零件激光沉積制造技術。由于它具有熱輸入能量可控以及柔性化制造的特點，使得這項技術特別適合于精密、復雜結構的鈦合金、高溫合金等貴重金屬材料零件的修復和直接制造，可有效縮短新產品開發周期、降低開發費用和開發風險，近年來逐漸受到了國內外研究者及相關廠商的關注，并已在航空鈦合金零部件的修復和成形制造領域得到初步應用；預計在未來的一個時期內，金屬零件的激光沉積制造技術將得到飛速發展和廣泛應用。

在金屬零件激光沉積制造技術研究和工程化應用中，激光沉積制造過程中的工件變形開裂問題是激光沉積制造技術順利發展和拓展應用的主要障礙；特別是在金屬零件激光修復應用領域，由于待修復工件已處于機械加工階段甚至是精加工階段或是已服役的零件，加工余量小或沒有加工余量，修復時要防止工件開裂，也不能發生工件變形，因為即使很小的變形量也將破壞工件結構的完整性；如何防止工件變形開裂更是激光修復技術實現拓展應用的一個亟待解決的關鍵問題。導致這個問題出現原因包括材料、設備、工藝等多方面的眾多因素，但其主要原因在于激光光束局部加熱，且沉積工件不同部位熱傳導和輻射條件不同，導致成形工件局部溫度累積現象明顯不同，造成成形工件內部溫度場分布不均勻，局部產生內應力集中現象，進而引起成形工件變形開裂。

發明內容：針對上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于預置梯度溫度場調控的金屬零件激光沉積修復方法與裝置。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：基于預置梯度溫度場調控的金屬零件激光沉積修復裝置，包括激光同軸送粉頭，柔性夾具，感應加熱器，冷卻管，工作臺，熱成像儀和感應加熱裝置。柔性夾具固定在工作臺上。冷卻管處于柔性夾具的中間，并處于工件下端。感應加熱器處于冷卻管的外周，并固定在損傷工件下端。激光同軸送粉頭和熱成像儀設置在損傷工件的上方。感應加熱器與感應加熱裝置連接。

基于預置梯度溫度場調控的金屬零件激光沉積修復方法，其具體實現步驟如下：

（1）將損傷工件的修復區域機械加工成規則化的圓形或矩形等形狀，根據修復區尺寸設計制造對應尺寸的感應加熱器，并與感應加熱裝置連接。

（2）將損傷工件采用柔性夾具夾持，夾具在所夾持基材的下表面修復區和近修復區預留相應空間，確保感應加熱器以及冷卻管能夠安裝在相應位置實現高溫加熱和低溫冷卻。

（3）將感應加熱器定位在近修復區對應下表面處，在近修復區形成高溫度區，感應加熱裝置與損傷工件隨工作臺共同移動；將冷卻管從夾具下方接入并固定在基材修復區對應下方，通入惰性保護氣體吹風冷卻，在修復區下方形成冷卻區。

（4）預置溫度場進行激光沉積：在激光沉積修復之前通過感應加熱器將基材近修復區預熱，預熱溫度可以通過加熱裝置輸出功率進行調控，在修復區對應下方采用惰性保護氣體冷卻管進行吹風冷卻，氣體溫度為液態轉氣態的溫度，可根據實際情況調整氣體流量將修復區溫度控制在室溫以下，形成低溫度區；激光沉積過程中通過紅外熱像儀逐層或間隔幾層檢測沉積修復層溫度，適時調整感應加熱器加熱功率，完成基材近修復區溫度和預置溫度梯度的調控，在此條件下實現損傷工件的激光沉積修復。

本發明具有如下優點：

（1）采用感應加熱裝置對基材近修復區進行加熱形成高溫區，加熱速度快、加熱溫度范圍大、熱源均勻穩定；感應加熱器與感應加熱源采用可拆卸連接，感應加熱器規格尺寸可根據修復區形狀尺寸來設計制造，制造工藝簡單，經濟實用，適應修復區形狀尺寸多變的特點。

（2）采用多管路保護氣體風吹冷卻，安裝方便，操作簡單，穩定性好；保護氣體采用高純氬氣，對修復區形成惰性氣體保護氛圍，防止鈦合金等材料激光修復時的高溫氧化。

（3）采用耐高溫柔性夾具夾持，安裝簡便，不易變形，保證基材預熱沉積修復過程中夾持穩定，安全可靠。