CN102312237B

CN102312237B - 一种汽轮机钛合金叶片的激光强化方法

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Publication number: CN102312237B
Application number: CN 201110265154
Authority: CN
Inventors: 姚建华; 楼程华
Original assignee: HANGZHOU BOHUA LASER TECHNOLOGY CO LTD; Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: HANGZHOU BOHUA LASER TECHNOLOGY CO LTD; Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: CN102312237A

Abstract

本发明公开了一种汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，包括如下步骤：(1)对汽轮机钛合金叶片表面进行常规预处理；(2)在汽轮机钛合金叶片的待激光强化部位双面镀上5～10μm厚的金属镍镀层，金属镍镀层在长度和宽度上分别比待激光强化部位的尺寸多15mm以上；(3)利用送粉载体将合金粉末送至待激光强化部位，同时对待激光强化部位进行激光熔覆，最终在汽轮机钛合金叶片表面获得厚度为0.6～1.6mm的熔覆层。本发明解决了激光熔覆时，靠近光斑附近的钛合金因高温引起剧烈的氧化与燃烧问题；并且无需在封闭腔内，也无需其它外设保护装置。

Description

一种汽轮机钛合金叶片的激光强化方法

(一)技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及钛合金表面强化方法，尤其是一种超高容量机组钛合金叶片抗气蚀部位的激光强化方法。

(二)背景技术

钛及钛合金以其比强度高、中低温稳定性好、耐腐蚀性能优异、生物相容性好等一系列优异的特性被广泛用于航空航天、电力、化工及交通运输等行业，尤其是在电力行业中。随着汽轮机设计功率的不断增大，大于1000mm以上长度的末级叶片已成为主流，叶片自重也随之增加，导致叶轮轮缘离心力大幅度提高，甚至超过合金结构钢叶轮的许可应力。因此，钢制末级叶片的使用长度受到限制，而钛合金刚好提供了这一需求的可能的解决方案。但是钛及钛合金硬度低、耐磨性能差、以及多相流侵蚀抗力低等缺点极大地限制了其在汽轮机领域的进一步应用。

提高钛合金叶片的硬度与抗气蚀性能，中外学者均作了大量的研究，也有相应的文献资料报导与专利发表。主要为激光气体氮化、表面合金化、表面熔覆及耐高温热障涂层等。如文献[H.C.Man，Z.D.Cui，T.M.Yue.Cavitation erosion behavior of laser gas nitrided Ti and Ti6Al4V alloy.Materials Science & Engineering.A，Structural Materials：Properties，Microstructure and Processing.Volume 355，Issues 1-2，25 August 2003，Pages 167-173]涉及的是样品安装在充满氮气的密室里，激光束透过密封玻璃窗户对样品进行扫描。原因是当气体保护不充分时钛合金极易氧化并剧烈燃烧。US4832993公开了下列技术方案：分二步喷洒钒粉，把钒粉缓慢加热到熔点以上，再喷碳化钛、氮化钛粉末，并且把这些混合粉末加热到熔点以上和钒的熔点以下之间；总之，工艺复杂且变形严重，氮化过程需要用封闭墙体或外设装置严格保护。

综上，大容量机组的钛合金叶片长度往往是1000mm以上，为防止钛合金氧化与燃烧，如按现有文献报导的方法，叶片需先装入密封室内，再用大量的气体清洗，以彻底排净室内空气，然后再激光处理。这种方法每张叶片均需重复此过程，效率低下，且极不经济，生产中基本难以实现。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种在大气环境(不用密封室或外设装置的气体保护)下进行的汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，以解决在开放环境下激光处理时钛合金叶片极易氧化与燃烧的难题，获得耐气蚀性能优异的汽轮机钛合金叶片。

为实现本发明的发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，包括如下步骤：

(1)对汽轮机钛合金叶片表面进行常规预处理；

(2)在汽轮机钛合金叶片的待激光强化部位双面镀上5～10μm厚的金属镍镀层，金属镍镀层在长度和宽度上分别比待激光强化部位的尺寸多15mm以上；

(3)利用送粉载体将合金粉末送至待激光强化部位，同时对待激光强化部位进行激光熔覆，最终在汽轮机钛合金叶片表面获得厚度为0.6～1.6mm的熔覆层。

下面对上述技术方案做具体说明。

本发明的钛合金叶片材料为Ti6Al4V(TC4)，也可以是TC3，TC6等。

本发明步骤(1)中，所述的常规预处理包括除油、除锈和表面活化，具体可采用如下方法：用常规的碱性溶液(例如Na₂CO₃、NaOH、Na₃PO₄、OP-10、十二烷基硫酸钠)在40～60℃进行除油、除锈及表面活化。

本发明步骤(2)中，金属镍镀层厚度只要5～10μm即可，可以通过常规的化学镀或电镀方法制得，比如在常规的电镀中只要10～20分钟即可获得符合要求的金属镍镀层。金属镍镀层尺寸在长、宽方向上应比待强化部位的尺寸多15毫米以上，并双面均有镀层，原因是激光强化过程中，离光斑15毫米处的温度已在200℃以下，此时钛合金不存在氧化与燃烧的问题。

本发明步骤(3)中，通过同步送粉方式进行激光熔覆，所述的送粉载气优选为氢气和氩气的混合气体，其中氢气的体积含量为1～3％。送粉载气中加入1～3％的氢气起的作用是，熔池附近存在氧的情况下，氧先与氢反应，同时氢气还可起还原金属的作用；并且由于氢气的含量低及与粉末合金金属液的作用时间短，覆层与钛合金的交界处不产生有害的氢化物TiH。

本发明使用的送粉载气需预先配制，保证氢气的含量不大于3％，具体的方法是取一只空氩气钢瓶作为专用混合气瓶，用由高压管通过流量计连接至氢气瓶，打开各阀门，充入计算量的氢气；关闭阀门后再连接至氩气瓶，充入计算量的氩气，关闭各阀门。

本发明步骤(3)中，优选所述的合金粉末的组成质量配比为：C 0.85～0.95％；Cr16～16.5％；W 5～6％；Fe 12～13.5％；Si 2～3％；B 1～1.5％；V 3～5％；稀土金属(Re)2～3％；余量为Ni。

进一步，所述的稀土金属为下列一种或两种任意比例的混合：Ce、La。

本发明使用的合金粉末配比熔点较低，与钛合金的润湿性良好，同时W、V与C形成的碳化物提高了叶片的抗气蚀性能。加入较高含量的稀土，可以与熔池中的氧反应生成稀土氧化物，更加可靠地保证了钛与氧气隔绝；同时细小、弥散分布的稀土氧化物有效地细化了晶粒(见图2)，提高了激光强化层的抗气蚀能力。

本发明步骤(3)中，推荐所述的激光熔覆的工艺参数为：送粉量10～16g/min，扫描速度500～700/min；激光功率1800～2000W；搭接率40～60％。

本发明在叶片熔覆完后，直接将其抛光至所需的粗糙度即可使用。

与现有技术相比，本发明的显著特点是：

1.在待激光强化的表面镀上一薄层金属镍，使钛合金基体与空气隔绝；解决了激光熔覆时，靠近光斑附近的钛合金因高温引起剧烈的氧化与燃烧问题。无需在封闭腔内，也无需其它外设保护装置。

2.采用混合气体作为送粉载气；其中的氢气极易先与氧气反应，从而起到第二层保护，以隔离钛合金与空气中的氧气。

3.合金粉内足量的稀土，一方面可与熔池内可能存在的氧先反应生成稀土氧化物，进一步的净化金属液中的氧，使钛合金基体难以接触到氧气，从而有效地解决了钛合金的氧化与燃烧难题，达到了在开放环境下的激光熔覆；另一方面，细化熔覆层晶粒，提高熔覆层性能。

(四)附图说明

图1为实施例1得到的抗气蚀覆层的显微组织图。

图2中，1为对比实施例获得的未预镀直接熔覆抗气蚀层的形貌；2为实施例1获得的经预镀后得到的抗气蚀覆层的形貌；由1和2的对比可见，在预镀金属镍镀层后，覆层表面及覆层边部未出现氧化与烧蚀现象；而未经镍金属镀时，覆层表面及边部均出现氧化与烧蚀现象。

图3为叶片熔覆后的示意图，其中的3为叶片断面，4为预镀镍层，5抗气蚀覆层。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

TC4钛合金叶片在实验前均用常规的碱性溶液(例如Na₂CO₃、NaOH、Na₃PO₄、OP-10、十二烷基硫酸钠)在40～60℃进行除油、除锈并经表面活化。

实施例1：

1.镀金属镍：TC4钛合金叶片用户要求强化区域为叶片进汽边背弧侧长450mm，宽度13mm；镀镍的尺寸确定为长465mm(叶片头部全镀镍)，宽度28mm。非镀区可用哈尔滨信诚材料有限公司镀镍可剥涂料涂刷，也可用稀释3倍的清漆涂刷。镀镍可用常规电镀方法，电解液可用如下配比：硫酸镍80g/L，氯化镍40g/L，柠檬酸钠15g/L，葡萄糖酸钠12g/L，硼酸35g/L；工艺参数：阳、阴极平均电流密度均为1.4A/dm²，温度60℃，pH值3.0～ 4.0，脉冲电流频率80Hz，占空比20％，时间10～20分钟。

2.取气雾化制取的粒度为-140+320目的合金粉末，120℃烘箱内去除水份，装入送粉容器内。粉末的成份为C：0.95％；Cr：16％；W：6％ Fe：12％；Si：3％；B：1.5％；V：5％；Re：2.5％；Ni：余量。

3.安装叶片至夹具内并编制相应的程序，调送粉载气量10L/min，送粉量12g/min；在光斑尺寸4mm，激光功率2000W，扫描速度700/min，搭接率40％的参数下作激光熔覆，获得厚度为0.6mm、硬度为520～560HV0.2的抗气蚀覆层。

4.熔覆后的叶片经抛光、磁粉探伤后装机使用。

实施例2：

1.同实施例1；

2.取气雾化制取的粒度为-140+320目的合金粉末，120℃烘箱内去除水份，装入送粉容器内。粉末的成份为C：0.85％；Cr：16.5％；W：5％ Fe：13％；Si：3％；B：1.5％；V：3％；Re：2％；Ni：余量

3.安装叶片至夹具内并编制相应的程序，调送粉载气量10L/min，送粉量16g/min；在光斑尺寸4mm，激光功率1900W，扫描速度600/min，搭接率60％的参数下作激光熔覆；第一层熔覆完后再作第二层熔覆。获得厚度为1.6mm，硬度为450～510HV0.2的抗气蚀覆层。

对比实施例

无镀金属镍步骤，其他步骤同实施例1，获得厚度为0.6mm、硬度为520～560HV0.2的抗气蚀覆层。

Claims

1.一种汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，包括如下步骤：

（1）对汽轮机钛合金叶片表面进行常规预处理；

（2）在汽轮机钛合金叶片的待激光强化部位双面镀上5～10μm厚的金属镍镀层，金属镍镀层在长度和宽度上分别比待激光强化部位的尺寸多15mm以上；

（3）利用送粉载体将合金粉末送至待激光强化部位，同时对待激光强化部位进行激光熔覆，最终在汽轮机钛合金叶片表面获得厚度为0.6～1.6mm的熔覆层；所述的合金粉末的组成质量配比为：C0.85～0.95%；Cr16～16.5%；W5～6%；Fe12～13.5%；Si2～3%；B1～1.5%；V3～5%；稀土金属2～3%；余量为Ni。

2.如权利要求1所述的汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，其特征在于：所述的稀土金属为下列一种或两种的混合：Ce、La。

3.如权利要求1或2所述的汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，其特征在于：所述的送粉载气为氢气和氩气的混合气体，其中氢气的体积含量为1～3%。

4.如权利要求1所述的汽轮机钛合金叶片的激光强化方法，其特征在于：所述的激光熔覆的工艺参数为：送粉量10～16g/min，扫描速度500～700/min；激光功率1800～2000W；搭接率40～60%。