一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于裂紋修復技術領域，涉及一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，該方法適用于表面有微小裂紋的不銹鋼。
【背景技術】
[0002]由于不銹鋼具有良好的強度和優越的耐腐蝕性，故在汽車、能源、航空航天等領域有著廣泛的應用。材料為不銹鋼的服役工件在受到循環載荷工作應力的影響下，會產生微觀缺陷，其中的微觀缺陷慢慢擴展成為宏觀裂紋。我們為了保證服役工件的安全性，不得不忍痛將含有微小裂紋的工件廢棄。同樣，由于不銹鋼在加工、運輸的過程中在其表面會產生損傷或劃傷，如果不能對工件進行良好的恢復，整個工件就會報廢。
[0003]金屬構件長壽命耐久性及其含有微小裂紋的修復問題已越來越成為當今機械、材料、力學領域十分關注的課題。傳統的修復方法，氬弧焊、等離子噴涂、等離子電弧焊、鎢極惰性氣體保護焊這些方法雖工藝簡單但在修復過程中熱輸入量較大，熱影響區極易出現熱裂紋，焊接容易變形，使用過程中容易產生脫落、開裂等問題，同時修復過程中易引起收縮變形，因此這些方法的應用具有很大的局限性。

【發明內容】

[0004]針對現有技術的不足，發明了一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，該方法能夠解決含有微小表面裂紋不銹鋼的止裂延壽問題。對含有微小表面裂紋的不銹鋼應用該發明方法修復后，基體與復合粉末呈現冶金結合，結合區無裂紋、氣孔產生，晶粒得到細化且組織的致密性得到顯著地提高，延長了構件使用壽命，提高了其可靠性和安全性。
[0005]為了達到上述目的，本發明的技術方案為:
[0006]—種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，具體包括以下步驟:
[0007]第I步:對待修復的不銹鋼表面微小裂紋尖端進行處理。
[0008]用砂紙對待修復區域進行打磨，接著用清洗劑清洗，然后烘干，使表面保持潔凈，防止雜質進入修復層影響其質量和性能。所述的不銹鋼為奧氏體不銹鋼;所述的清洗劑為無水乙醇、丙酮等;利用砂紙打磨的過程中，在磨面上所施力應均衡，磨面與砂紙完全接觸，每換下一號細砂紙時，磨面方向應旋轉90°，這樣保證表面較為平整，使結合的表面較好。
[0009]第2步:將復合粉末與無水乙醇進行調和，均勻預置在待修復的不銹鋼表面微小裂紋尖端處，再將復合粉末壓實，保證表面平整、孔隙率低，然后用自制的“凹”字型工具去除多余的復合粉末。所述的復合粉末與基體材料成分相近、熱膨脹系數相近、熔點相近、潤濕性相近，性能優于被修復材料，復合粉末的厚度為0.8-1.2mm，復合粉末包括納米級WC顆粒和微米級不銹鋼粉末，微米級不銹鋼粉末大小50-100卩1]1，納米￥(:顆粒大小為50-80111]1。所述的待修復表面微小裂紋尖端處預置復合粉末的面積為50-150mm2，預置的復合粉末重量為l_3g。復合粉末與無水乙醇進行調和過程中，Ig復合粉末中加入l_3ml無水乙醇。
[0010]第3步:利用激光束的高能量密度，對待修復的表面微小裂紋尖端進行快速熔凝，使復合粉末和不銹鋼基體緊緊結合在一起，完成表面微小裂紋尖端的修復工作。所述的激光工藝參數為:激光功率1.5-2KW，光斑直徑3-6_，激光時間0.8-1.2s，離焦量10_20_。
[0011]第4步:去除修復后殘留在不銹鋼表面微小裂紋尖端處的多余粉末，并對修復區域進行去毛刺修整處理，使其達到表面潔凈光滑的質量要求。
[0012]第5步:對修復后不銹鋼基體的斷裂性能進行檢測，并觀察修復層截面的微觀組織。
[0013]本發明利用激光束高能量密度、快速熔凝、激光加熱區域小、應力變形小等特點，避免了其它加工方法中的熱影響區大，工件變形大，使用過程中易產生脫落、開裂等問題，有效的使表面微小裂紋尖端閉合，解決了不銹鋼表面微小裂紋的問題，大幅度提高材料的斷裂性能，達到延壽和提高構件可靠性和安全性的目的。激光使預置在裂紋尖端周圍的復合粉末和基體局部熔凝，從而使裂紋尖端重新閉合，達到對不銹鋼表面微小裂紋尖端進行修復的目的，延長零件的使用壽命和提高構件的安全性和可靠性。修復時預置的復合粉末與基體間呈冶金結合，處理后無裂紋和氣孔產生。一方面，由于激光能使不銹鋼裂紋尖端快速熔凝，所以得到的晶粒組織均勻細小；另一方面，在復合粉末中加入了一定量的高熔點納米硬質相顆粒，不僅可以起到異質形核的作用，還能阻礙晶粒的長大，使裂紋尖端的晶粒更加細小，這樣可顯著提高材料的斷裂性能，擴大其適用范圍和領域，延長其使用壽命。
[0014]本發明的具體優點如下所述。I)修復過程中加熱區域小、修復層厚度易控制、應力變形小。2)修復方法的靈活性高，可以多次對基體表面微小裂紋尖端進行修復，而且對基體的形狀沒有限制。3)該方法可用于修復關鍵及貴重零部件，修復技術簡單快捷，效率高，節約了資源和能源，降低了再制造成本和縮短了生產周期。
【附圖說明】
[0015]圖1為不銹鋼表面微小裂紋尖端的修復方法路線圖；
[0016]圖2(a)為實施例未進行修復裂紋實驗的不銹鋼試件；
[0017]圖2(b)為實施例完成修復裂紋實驗的不銹鋼試件；
[0018]圖3為實施例修復不銹鋼裂紋尖端后修復層與熱影響區的界面圖；
[0019]圖4為實施例未修復的不銹鋼試件裂紋尖端晶粒圖；
[0020]圖5為實施例修復不銹鋼裂紋尖端后修復層中的晶粒圖；
[0021 ]圖6為實施例在不同載荷下修復件與未修復件的COD值。
具體實施方案
[0022]下面通過具體實施案例進一步說明本發明。
[0023]首先對304不銹鋼表面微小裂紋尖端進行處理，用砂紙進行打磨，接著用無水乙醇清洗，然后烘干。
[0024]其次將含納米WC和微米304不銹鋼粉末的復合粉末與無水乙醇進行調和，均勻預置在基體不銹鋼的表面，預置粉末面積大約為100mm2，厚度為1mm，粉末的質量大約為2g，保證表面平整、孔隙率低。
[0025]再利用激光束的高能量密度，快速熔凝復合粉末和基體材料，使復合粉末和基體發生冶金結合，緊緊結合在一起，從而完成裂紋的修復工作。最后去除修復后殘留在不銹鋼表面微小裂紋尖端處的多余粉末，并對修復區域進行去毛刺等修整處理，使其達到表面質量要求。具體工藝參數為:激光功率1.8KW，光斑直徑4_，激光時間IS，離焦量20_。
[0026]性能檢測:
[0027]第一步:將修復的304不銹鋼試件與未進行修復的試件分別進行拉伸試驗。
[0028]①對一組試件的表面進行噴涂啞光漆處理。先在試件表面噴涂一層白色啞光漆作為底色鋪墊，待白漆干后再噴灑黑漆，使其在白色襯底上形成均勻分布的黑色斑點，要求斑點大小適中，從而制備出黑白相間的散斑。
[0029]②分別將試件放在萬能試驗機上進行加載，C⑶相機取照。
[0030]③用Vic-2D軟件分析獲取一組位移應變值或者獲取斷裂參數裂紋尖端張開位移(COD)值。利用數字圖像相關技術，對CCD相機采集所得的圖片信息進行計算處理，將圖片信息通過算法轉化為試件表面應變場信息。
[0031]④計算出試件的C0D，并進行試件之間的比較。
[0032]如下圖6所示，經過修復試件表面微小裂紋尖端之后，在不同載荷下的COD值會出現相應的減小，表明修復之后試件的斷裂性能有了明顯的提高。
[0033]第二步:觀察試件裂紋尖端修復層截面的微觀組織。
[0034]①將試件沿著裂紋的方向進行線切割，將試樣線切割成40mmX10mmX5mm大小金相試樣
[0035]②將試件裂紋尖端處修復的截面進行打磨、拋光
[0036]③用新配置的王水對裂紋尖端處的截面進行腐蝕
[0037]④用掃描電鏡(SEM)對腐蝕過截面的顯微組織進行觀察
[0038]經過觀察試件的截面微觀組織，可以得到不銹鋼表面微小裂紋尖端經過修復后，基體與預置在裂紋尖端的復合粉末呈現冶金結合，結合區無裂紋、氣孔等缺陷;裂紋尖端修復層的晶粒得到細化，組織的致密性得到顯著地提高。
【主權項】
1.一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:打磨待修復的不銹鋼表面微小裂紋尖端，用清洗劑清洗后，烘干，保證待修復的不銹鋼表面平整、整潔； 第二步:復合粉末與無水乙醇調和后，均勻預置在待修復的不銹鋼表面微小裂紋尖端處，將復合粉末壓實，保證不銹鋼表面平整、孔隙率低；用自制的“凹”字型工具去除多余的復合粉末;所述的復合粉末與基體材料成分相近、熱膨脹系數相近、熔點相近、潤濕性相近，性能優于被修復材料，復合粉末厚度為0.8-1.2111111，包括50-8011111的￥(:顆粒和50-10(^111的不銹鋼粉末;所述的不銹鋼表面微小裂紋尖端處預置復合粉末的面積為50-150mm2，預置的復合粉末重量為l_3g; 第三步:用激光束對待修復的不銹鋼表面微小裂紋尖端處進行快速熔凝，復合粉末和不銹鋼基體緊密結合在一起，完成不銹鋼表面微小裂紋尖端的修復工作;激光工藝參數為:激光功率1.5-2KW，光斑直徑3-6mm，激光時間0.8-1.2s，離焦量10-20mm; 第四步:去除修復后殘留在不銹鋼表面微小裂紋尖端處的多余粉末，對修復的區域進行去毛刺處理后，不銹鋼表面潔凈光滑； 第五步:檢測修復后不銹鋼基體的斷裂性能，觀察修復層截面的微觀組織。2.根據權利要求1所述的一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，其特征在于，第二步中所述的Ig復合粉末中加入l-3ml無水乙醇。3.根據權利要求1或2所述的一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，其特征在于，所述的不銹鋼為奧氏體不銹鋼。4.根據權利要求1或2所述的一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，其特征在于，所述的清洗劑為無水乙醇或丙酮。5.根據權利要求3所述的一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，其特征在于，所述的清洗劑為無水乙醇或丙酮。
【專利摘要】本發明提供一種利用納米顆粒修復不銹鋼表面微小裂紋尖端的方法，該方法適用于表面有微小裂紋的不銹鋼。包括：處理待修復的不銹鋼表面微小裂紋尖端；在微小裂紋尖端處預置含納米顆粒的復合粉末；利用激光使復合粉末和基體局部熔凝；修整完成修復的裂紋尖端區域；檢測修復后不銹鋼基體的斷裂性能和觀察修復層截面的微觀組織。本發明的修復方法靈活性高，可以多次進行修復；同時本修復方法避免了常規方法中變形大、熱影響區大等問題。本修復方法使裂紋尖端重新閉合，基體與預置在裂紋尖端的復合粉末呈冶金結合，結合區無裂紋、氣孔等缺陷；裂紋尖端修復層的晶粒得到細化，組織的致密性得到提高；另外修復后的斷裂性能得到顯著性地提高。
【IPC分類】C23C24/10
【公開號】CN105714286
【申請號】CN201610224622
【發明人】蔣瑋, 蔣險峰
【申請人】大連理工大學