CN102168210B

CN102168210B - 一种激光熔覆工艺方法及其合金材料

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Publication number: CN102168210B
Application number: CN 201110086434
Authority: CN
Inventors: 姚建华; 楼程华
Original assignee: HANGZHOU BUOHUA LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU BUOHUA LASER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: CN102168210A

Abstract

本发明公开了一种用于激光熔覆的合金材料，为合金粉末，按重量百分比计其成分如下：C：0.85～0.98％，Cr：35～45％，Fe：3～5％，Si：0.5～1.0％，W：3.5～5.5％，Mo：1.0～1.5％，Ni：6～8％，V：1.5～2.0％，Ti：1.0～2.0％，B：0.5～1.5％，Nb：0.10～0.50％，Re：0.5～1.5％，Co：余量。还公开了一种采用如上所述合金材料的激光熔覆工艺方法。本技术方案在所加合金元素的综合作用下，熔覆层组织均匀，细小；无气孔、无夹杂、无夹渣，叶片熔覆时不用预热，更不会出现裂纹。具有较高的硬度与良好的抗气蚀性能，熔覆的部件不需经后续的热处理，可以直接精加工后使用，激光处理的工艺适应性较好，操作简单易行。

Description

一种激光熔覆工艺方法及其合金材料

技术领域

本发明属于材料学科与激光加工领域，尤其涉及一种激光熔覆工艺方法及其合金材料，特别适用于大容量汽轮机长叶片的耐气蚀层的直接激光熔覆及因气蚀而失效的叶片修覆，同时可用于轴颈、高温高压阀门端面的修覆。

背景技术

近二、三十年汽轮机发电机组运行的经验表明，提高汽轮机叶片抗气蚀性能的最佳途径是镶嵌司太立合金片。由于现代能源工业对高效节能的要求，发电机组的容量已发展到300、600、1000兆瓦。此类机组的叶片长，线速度很高，对叶片的强度与抗气蚀性能要求甚高。而镶嵌司太立合金片虽能获得优异的抗气蚀性能，却难以满足叶片高速运行对强度、韧性、疲劳等机械性能的要求。特别是非冶金结合的镶嵌层，在叶片运行过程中产生的疲劳导致剥落，引起机组灾难性的事故。因此，迫切需要一种全新的技术，以满足现代大容量发电机组对叶片高性能的要求，而激光熔覆具有冶金结合，能获得优异的结合力。

但是，目前尚无用于激光熔覆，特别是要求具有一定硬度、强度、延伸率、抗弯曲性能与良好抗气蚀性能的用于高容量汽轮机叶片激光熔覆的专用粉末。现有的粉末或者是抗气蚀性不佳，或者是机械性能不合要求，或者是熔覆过程中产生气孔、针眼，甚至裂纹，虽然有文献(汽轮机末级叶片司太立6连铸铸棒钴基合金焊接修复，《电力科学与工程》2008年第24卷第7期，28～30)介绍叶片的修覆，但需预热至250～350℃，工艺控制要求很高，随后还需680℃的热处理，难以在实际中应用。究其原因是由于激光功率密度高，其熔覆工艺与常规的热喷涂等区别很大，在实际部件的熔覆中或者因元素的烧损而形成气孔、夹渣、夹杂，并致硬度降低；或者由于基体与熔覆层的膨胀性能不同，出现严重的裂纹而无法实际应用。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的目的之一是提供一种具有耐磨、耐蚀、抗氧化、抗裂纹的性能，适用于激光熔覆抗气蚀的合金粉末。

本发明的目的之二是提供一种采用上述合金粉末的激光熔覆工艺方法。

为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种用于激光熔覆的合金材料，其特征在于，为合金粉末，按重量百分比计其成分如下：

C：0.85～0.98％，Cr：35～45％，Fe：3～5％，Si：0.5～1.0％，W：3.5～5.5％，Mo：1.0～1.5％，Ni：6～8％，V：1.5～2.0％，Ti：1.0～2.0％，B：0.5～1.5％，Nb：0.10～0.50％，Re：0.5～1.5％，Co：余量。

该激光熔覆用高硬度、抗气蚀合金粉末，其主要特征是高的含铬量并添加了Nb、Ti、V、RE等元素。配比中高的铬(Cr)含量是为适应高功率密度激光熔覆特点，使其形成适量的碳化铬并提高固溶于基体中的铬含量，有利于强化基体和提高抗气蚀性能。加入少量的B与Si元素，目的是使粉末具有一定的自脱氧、造渣能力，且能“润湿”基材表面；同时，降低了熔点，又扩大了合金固、液相温度区间，使合金在熔融过程中具有良好的流动性和对基材表面良好的润湿性而呈优异的冶金结合。由于该项粉末中添加了Ti、V、Nb、Re等元素，特别是Nb元素，提高了M6C23和MC型碳化物的稳定性，使显微组织的晶粒度更细化，大幅地提高了硬度，增加了韧性与抗气蚀性。Re的加入，目的是净化熔炼时的液体金属；在激光熔覆过程中，亦能起到强烈细化晶料的作用。通过适当调整各元素的配比，该合金粉末的激光熔覆层具有无氧化、无夹杂、无夹渣的优点，且抗裂性良好，解决了原有激光熔覆难以获得无裂纹且高硬度、抗气蚀的问题。既可用于用于汽轮机叶片抗气蚀部位的激光熔覆与修覆；也可用于轴颈、高温高压阀门等耐磨部件的激光修覆。

作为优选，所述用于激光熔覆的合金材料按重量百分比计其成分如下：

C：0.85％，Cr：35％，Fe：5％，Si：0.5％，W：5.0％，Mo：1.2％，Ni：7％，V：1.5％，Ti：1.0％，B：0.5％，Nb：0.3％，Re：0.6％，Co：余量。

一种激光熔覆工艺方法，采用如上所述的合金材料，在惰性气体保护下，经激光熔覆在工件表面制备耐气蚀合金层，再经250～400℃局部回火。

本发明提供的配比的合金粉末，在实际使用中不需预热，可在合适的激光参数下获得高抗气蚀性能的叶片熔覆层，随后仅需250～400℃的局部去应力回火即可。熔覆工艺的适应性较宽，重复性一致，完全可用于大容量、高转速汽轮机叶片抗气蚀层的熔覆与失效叶片的修复。

作为优选，所述工件为汽轮机叶片，在激光熔覆之前，先在汽轮机叶片背弧侧铣槽，再在铣去部位进行激光熔覆。这样可用于替代汽轮机叶片镶焊合金片，并且可以保证叶片原有尺寸和表面平整，结合牢固。

作为优选，所述叶片背弧侧铣槽深度为0.5～1.2mm。

合金粉末的制备按常规方法，即按计算量加入高熔点元素与各中间合金(铬铁、硼铁等)于中频炉中，加热至1400～1500℃，除渣、精炼后加入稀士Re(为Ce、La混合稀土)并均匀化；于1400℃左右进行气雾化制粉，粉末干燥后过筛并保存。

本发明的激光熔覆工艺参数为：所述合金材料粉末粒度为-140+325目，由惰性气体送粉；采用三维联动激光熔覆，光斑直径3～5毫米，功率为1500～2200W，激光扫描速度为5～12mm/S，送粉量为14～20g/min，单道熔覆层可达0.5～1.2毫米，硬度可达HRC43～57。所述激光由半导体激光器产生，波长为900～1030nm。

本发明的显著优点是在所加合金元素的综合作用下，熔覆层组织均匀，细小；无气孔、无夹杂、无夹渣，叶片熔覆时不用预热，更不会出现裂纹。具有较高的硬度与良好的抗气蚀性能，熔覆的部件不需经后续的热处理，可以直接精加工后使用，激光处理的工艺适应性较好，操作简单易行。

附图说明

图1是实施例3叶片的结构示意图。

图2是实施例3叶片的剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

实施例1：一种用于激光熔覆的合金材料，合金元素的化学组成(重量百分比)为C：0.85％；Cr：35％；Fe：5％；Si：0.5％；W：5.0％；Mo：1.2％；Ni：7％；V：1.5％；Ti：1.0％；B：0.5％；Nb：0.3％；Re：0.6％；Co：余量。

制备方法如下：

1、计算铬铁、钒铁、硅铁、硼铁等各中间合金的加入量(计算时考虑各元素的不同烧损率)。

2、称重后置200℃烘箱内烘烤。

3、先加入高熔点与磁性元素，再加入易烧损元素。

4、熔化后除渣、精炼并加入稀土元素。

5、开启水、气路，控制压力与液位。

6、放置经预热的中间漏包于喷嘴上，倾倒熔炉内合金液于中间漏包。

7、喷粉完成后，出粉并用酒精除去水份，烘干后过筛密封待用。

该配比的合金粉末经激光熔覆制备的熔覆层的硬度HRC43～48，除了应用在汽轮机叶片外，还可以适用于轴颈、阀门端面等修覆，具有同等性能效果。

实施例2：

一种用于激光熔覆的合金材料，合金元素的化学组成(重量百分比)为C：0.95％，Cr：42％，Fe：3％，Si：1.2％，W：5.5％，Mo：1.5％，Ni：6％，V：1.8％，Ti：2.0％，B：1.2％，Nb：0.5％，Re：1.0％，Co：余量。

制备方法同实施例1。

该配比的合金粉末经激光熔覆制备的熔覆层的硬度HRC52～57，除了应用在汽轮机叶片外，还可以适用于轴颈、阀门端面等修覆，具有同等性能效果。

实施例3：

一种替代汽轮机叶片镶嵌合金片的激光熔覆工艺方法，包括如下步骤：

1、如图1所示，叶片1背弧(包括原有R边)铣去1mm形成铣槽2；背弧侧铣去该处厚度的1/5，但总深度不超过1mm；可用成型刀由数控铣床一步完成。

2、按铣去部位的尺寸编制机械人运动规迹，熔覆编程的搭接率为55％。

3、采用光纤或半导体激光器，选用实施例1和实施例2的粉末，其粒度为-140+325目(颗粒低于140目，高于325目，颗粒粒径在这范围内)，调送粉量至14g/min，由惰性气体送粉；光斑直径5毫米，调整功率至1800W，激光扫描速度为10mm/S，单道熔覆厚度为1.0毫米。

4、叶片熔覆部位局部去应力回火，参数为250℃/3小时空冷。

5、由抛光机抛去突出多出部分，检验后即可装机。如图2所示，此时，叶片1的背弧侧熔覆形成耐气蚀合金的激光熔覆层3，并且该激光熔覆层3也形成叶片的R边4。

下面为试样测试结果：

上述试样1为采用实施例1的合金粉末并采用上述激光熔覆工艺制备的叶片；上述试样2为采用实施例2的合金粉末并采用上述激光熔覆工艺制备的叶片；镶嵌合金叶片成品为依照现有技术制备的叶片。上述叶片的基体材料均为17-4PH。上述冷弯角测试条件为：各试样经线切割并经磨床磨削成尺寸为长60mm、宽10mm、厚2mm的片状，进行常温下弯曲。

由上述试验可知，采用本发明的合金粉末，经激光熔覆在汽轮机叶片上获得了一毫米左右的抗气蚀层。该合金熔覆层的抗气蚀性能提高了约两至三倍，并且具有较高的硬度与韧性，综合性能优异，熔覆工艺简单可靠，完全可取代叶片传统的合金片镶嵌方法，克服了合金片镶嵌强度不够而脱落的危险，大幅延长了叶片的使用寿命与可靠性。同时可用于轴颈、高温高压阀门端面的修覆。

Claims

1.一种用于激光熔覆的合金材料，其特征在于，为合金粉末，按重量百分比计其成分如下：

2.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆的合金材料，其特征在于，按重量百分比计其成分如下：

3.一种激光熔覆工艺方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的合金材料，在惰性气体保护下，经激光熔覆在工件表面制备耐气蚀合金层，再经250～400℃局部回火；其中，所述激光熔覆工艺参数为：所述合金材料粉末粒度为-140+325目，颗粒低于140目并高于325目，由惰性气体送粉；采用三维联动激光熔覆，光斑直径3～5毫米，功率为1500～2200W，激光扫描速度为5～12mm/s，送粉量为14～20g/min。

4.根据权利要求3所述的一种激光熔覆工艺方法，其特征在于，所述工件为汽轮机叶片，在激光熔覆之前，先在汽轮机叶片背弧侧铣槽，再在铣去部位进行激光熔覆。

5.根据权利要求4所述的一种激光熔覆工艺方法，其特征在于，所述叶片背弧侧铣槽深度为0.5～1.2mm。

6.根据权利要求5所述的一种激光熔覆工艺方法，其特征在于，所述激光由半导体激光器产生，波长为900～1030nm。