CN103352221B

CN103352221B - 高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末及修复方法

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Publication number: CN103352221B
Application number: CN201310313958.1A
Authority: CN
Inventors: 冯小清; 田为军; 郭曙祥; 王康晶; 崔发生
Original assignee: BEIJING HUADIAN ZHONGGUANG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd; Wuhan Gass Laser Technology Co Ltd; China Huadian Engineering Group Co Ltd
Current assignee: Huadian Light New Energy Technology Co Ltd; Wuhan Gass Laser Technology Co., Ltd.; China Huadian Engineering Group Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: CN103352221A

Abstract

本发明公开了一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末及修复方法，所述的合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 13%～17%，Si 1.3%，Ni 4%～6%，P 小于0.03%，余量为Fe。本发明通过严格筛选原料及其配比后最终制备得到的合金粉末，不仅可以将旋转轴的磨损部位尺寸还原，而且还具有极其耐磨的特点，从而使得采用该合金粉末修复之后的轴颈位的耐磨程度远远超过了基体，也就是说，就轴颈位的耐磨程度而言，其使用寿命远远超过了新生产的旋转轴；此外，采用该合金粉末修复之后的轴颈位的耐腐蚀性也大大增强，从而使转子轴在下一个周期使用中更加耐磨，机组运行更加平稳。

Description

高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末及修复方法

技术领域

本发明涉及一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末及修复方法，属于激光加工领域。

背景技术

在电力行业，电机转子、汽轮机转子、透平机转子轴等大多是承受重载荷、高速运转的部件，且价格昂贵，当这些部件的轴颈位磨损之后，用什么方法维修才能保证这些部件的完好性能是科技人员长期研究的问题。

常用的方法有以下几类：

一、堆焊技术，这种方法的结合强度高，不易脱落；但有一个很大的缺点：这类零件多为中碳合金钢经热处理调质后机加工制成，可焊性差；当采用传统堆焊技术，需预热，热输入量大，热影响区域大，工件的机械性能会下降，同时变形较大、变形易超差，这对于连续高速运转的转轴的修复来说是一个不易克服的难关。

二、热喷涂技术，这种技术的优点是热影响相对堆焊较小，变形小；但喷涂层与基体属物理结合，基结合力只相当母材5%～30%，一般也就100～200MPa，厚度限于0.4mm以内，结合力不强，容易剥落。

三、刷镀技术，这种技术基本没变形；但结合力弱，结合强度一般不超过100MPa，仅适用薄层、低载慢速的零件修复，更易剥落。

四、热喷焊，这种技术结合强度较高，可达近300MPa；但要在 300～400℃预热，热输量大，易变形。

五、激光熔覆，近几年，随着激光表面工程技术的研究和推广应用，承载重载荷的高速运转轴的维修问题得到了很好的解决。激光熔覆是利用激光束产生的快速熔凝过程，将所需性能的金属粉末与基材相互融合成同等于基体抗磨，耐腐等性能或优于基材抗磨，耐腐等性能的合金覆盖层。由于激光束的能量足够高，作用时间足够短，基体融化层只有0.05-0.1mm深，熔覆层与基体结合强度接近基体强度90%以上。如某粉末与45#钢调质件σb可达600～700MPa,是热喷焊3倍以上，其熔覆层厚可大于10mm，这一技术与传统技术比，有如下优点：

熔覆层与基材冶金结合，结合强度高，强韧性好；

对基材热输入小，热影响小，基材机械性能无变化；

变形小，对上所述的大型机械转轴类部件可以不计；

可以通过对粉末合金元素调配和熔覆工艺优化获得所需合金熔层的性能（如耐磨、耐腐性、耐高温氧化性等）。

可以说，激光熔覆技术结合了传统堆焊技术的结合强度高和热喷涂技术的变形小、不破坏工件的调质性能的优点，非常适合于电厂的电机转子、汽轮机转子、透平机转子轴等高速旋转部件轴颈位磨损维修。现有技术中也有许多采用激光熔覆技术进行转子轴修复的研究成果，比如申请号为201210351284.X的专利申请所公开的“十字轴的激光熔覆修复工艺”；申请号为200410021471.7的专利申请所公开的“一种激光修复的发电机、汽轮机转子轴及其修复方法”；申请号为201110004856.2的专利申请所公开的“离心风机轴承座磨损后的激光修复方法”；但是上述方案均存在以下缺点：进行激光熔覆所使用的合金粉末可焊性弱，耐磨性差，用其仅仅可以将机械轴磨损部位的尺寸还原，但是却并不能提高修复后的轴颈位的耐磨程度；另外，进行激光熔覆时，熔覆质量一般，熔透程度、结合力不够，熔覆质量不稳定，熔覆效率也较低。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末及修复方法，它可以有效解决现有技术中存在的问题，提供一种可焊性强、耐磨性好的合金粉末，用其进行激光熔覆，不仅可以将高速旋转机械轴磨损部位的尺寸还原，还可以使得修复之后的轴颈位的耐磨程度超过基体、使用寿命超过新生产的旋转轴；本发明的目的还在于提供一种熔覆质量较好、熔覆效率较高的激光熔覆修复方法。

本发明的技术方案是这样构成的：一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C（碳）0.13%，Cr（铬）13%～17%，Si（硅）1.3%，Ni（镍）4%～6%，P（磷）0<x<0.03%，余量为Fe（铁）；其中，x为P（磷）的重量百分比。

优选的，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 15%，Si 1.3%，Ni 5%，P 0.025%，Fe 78.545%。

前述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末采用气雾化法进行制备，与水雾化法生产出来的粉末相比，气雾化法生产出来的粉末的表面呈球形，从而可以使粉末的流动性更好，可以更好的提高熔覆质量。

一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，利用前述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理。

具体的，包括以下步骤：

A、将欲处理的高速旋转机械轴置于与其重量、尺寸相匹配的电动托架上；

B、利用砂纸或打磨机将高速旋转机械轴的轴颈位的划痕磨平；如果轴颈位有裂缝或裂纹，则采用便携式随行磨床进行磨削加工，直至没有裂缝或裂纹；

C、将轴颈位擦拭干净并利用前述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；

D、对修复区域进行加工，直至轴颈位的尺寸符合所需尺寸；

E、进行尺寸及表面粗糙度检验。

步骤A中，由于高速旋转机械轴往往都是重量大、尺寸大的部件，常见的重量为几吨、十几吨，常见的尺寸为直径几百毫米直至几千毫米，因此所选用的电动托架要和所维修的高速旋转机械轴相匹配。

优选的，前述的激光粉末熔覆层的厚度为0.5～1.0mm，从而可以较好的恢复机械轴磨损的尺寸，同时降低修复成本。

更优选的，前述的激光粉末熔覆层的厚度为0.8mm，从而可以较好的恢复机械轴磨损的尺寸，同时使修复成本最低。

具体的，步骤C中，利用蘸有酒精的抹布将轴颈位擦拭干净，从而可以提高激光熔覆质量。

前述的步骤C中所述的对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理的条件包括：光斑为3mm×3mm的方形光斑；电机转子轴的转动线速度为450～550mm/min；半导体直接输出激光器的功率为2000～2500W，使产生的激光与转子轴的轴颈位修复部位形成垂直照射；同时启动激光器和送粉器，边照射边送粉，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；上述参数均是发明人经过反复试验得出的比较佳的参数搭配；另外，激光熔覆时激光与转子轴的轴颈位修复部位形成垂直照射的吸光效果最好。

优选的，上述的电机转子轴的转动线速度为500mm/min；半导体直接输出激光器的功率为2300W。

与现有技术相比，本发明通过严格筛选原料及其配比后最终制备得到的合金粉末，可焊性强、耐磨性好，采用该合金粉末对高速旋转机械轴进行激光熔覆后，不仅可以将旋转轴的磨损部位的尺寸还原，而且还可以使修复之后转子轴的轴颈位的耐磨程度远远超过基体，也就是说，就轴颈位的耐磨程度而言，其使用寿命远远超过了新生产的旋转轴；此外，采用该合金粉末修复之后的轴颈位的耐腐蚀性也大大增强，可以使转子轴在下一个周期使用中更加耐磨，机组运行更加平稳。据大量数据统计表明，本发明的合金粉末的硬度达HRC45左右，耐磨、耐腐蚀性能都较好；采用该合金粉末修复之后的轴颈位的使用寿命超过了新生产的旋转轴使用寿命的50%以上。另外，通过采用本发明的修复方法，从而可以保证修复之后的转轴调质性能不被破坏，转子轴可安全的高速运转并承载重载荷；还可以保证激光熔覆的质量较好（熔透程度较好、结合力较强，熔覆较稳定），同时又能获得较高的熔覆效率。本发明的修复方法适用于发电厂的电机转子轴、汽轮机转子轴、发电机转子轴等高速旋转轴类部件的轴颈位磨损后的修复，适用范围较广。

本发明的合金粉末中的原料及其配比都是发明人经过大量的试验研究筛选出来的，比如，一般激光熔覆之后的机械轴表面非常粗糙，必须经过车、磨等机加工工序才能完成修复，使机械轴表面变的光滑。发明人经过大量的试验研究后显示：合金粉末中加入原料P（磷）后，就可以大大改善钢的车削性能，使机械轴易于实现机加工；另外发明人对原料P的加入量也进行了严格的筛选试验，结果表明：如果加入的原料P的重量百分比小于0.03%，则钢的车削性能较好，机械轴的表面质量较优；如果加入的原料P的重量百分比大于等于0.03%，则钢的韧性明显下降。

在半导体激光器的功率、光斑和线速度对熔覆质量（如熔透程度、结合力强度）和熔覆效率影响的研究中发现：进行激光熔覆作业时，激光器的功率、光斑和线速度需要互相配合才能既保证熔覆的质量（熔透、结合力强），同时又能获得较高的熔覆效率。对于半导体激光器的功率，目前市场较为主流的半导体激光器的功率是3000W，但是如果激光器连续工作很长时间（比如连续工作6～8小时），则激光器的功率就会有所衰减。因此，为了保证激光器工作的连续性，并不能把激光器的功率用满，设定激光器的功率为2000～2500W，既可以保证激光器的功率处于较高的状态，同时又保留了一定的余量，当激光器的功率出现衰减时，用于功率调整，从而保证了激光熔覆质量的稳定性。对于半导体激光器的光斑和线速度，虽然在进行激光熔覆时光斑可调大也可调小，比如同样功率的激光器，可以把光斑调成2x2、3x3、4x4或更大，但光斑太大会导致单位面积的光的功率密度降低，进而要求激光熔覆的线速度降低（激光熔覆的效率降低），否则就会出现激光未熔透、结合力不够的情况。也就是说光斑和线速度是一对成反比关系的参数。经发明人反复试验研究发现：在一定的功率下，激光器的光斑为3mm×3mm的方形光斑、线速度为450～550mm/min，不仅可以保证激光熔透、结合力增强，同时还可以提高激光熔覆的效率。当激光器的功率为2300W、转动线速度为500mm/min、光斑为3mm×3mm的方形光斑时，激光熔覆的质量最好（熔透程度最好、结合力最强，最稳定），同时又能获得最高的熔覆效率。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的方法流程图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

具体实施方式

实施例1：一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 15%，Si 1.3%，Ni 5%，P 0.025%，Fe 78.545%。该合金粉末采用气雾化法进行制备。

一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，包括以下步骤（如图1所示）：

C、利用蘸有酒精的抹布将轴颈位擦拭干净并利用上述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理，在轴颈位形成激光粉末熔覆层,所述的激光粉末熔覆层的厚度为0.8mm；具体的激光熔覆处理的条件包括：光斑为3mmx3mm的方形光斑；电机转子轴的转动线速度为500mm/min；半导体直接输出激光器的功率为2300W，使产生的激光与转子轴的轴颈位修复部位形成垂直照射；同时启动激光器和送粉器，边照射边送粉，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；

D、用随行磨床对修复区域进行加工，直至轴颈位的尺寸符合所需尺寸；

E、进行尺寸及表面粗糙度检验。

实施例2：一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 17%，Si 1.3%，Ni 4%，P 0.02%，Fe 77.55%。该合金粉末采用气雾化法进行制备。

C、将轴颈位擦拭干净并利用上述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；其中，进行激光熔覆处理的条件包括：光斑为3mmx3mm的方形光斑；电机转子轴的转动线速度为550mm/min；半导体直接输出激光器的功率为2500W，使产生的激光与转子轴的轴颈位修复部位形成垂直照射；同时启动激光器和送粉器，边照射边送粉，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；

E、进行尺寸及表面粗糙度检验。

实施例3：一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 13%，Si 1.3%，Ni 6%，P 0.01%，Fe 79.56%。该合金粉末采用气雾化法进行制备。

C、对轴颈位打磨好并清洁后的转轴，利用上述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末进行激光熔覆处理：光斑为3mmx3mm的方形光斑；调节电机托架上的电机转速，使转子轴的转动线速度为450mm/分钟；调节半导体直接输出激光器，功率调节到2000W，使产生的激光与转子轴的轴颈位修复部位形成垂直照射；同时启动激光器、送粉器，使激光器边照射边送粉，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；待所修复区域全部熔覆完毕，停止激光器、送粉器；

E、进行尺寸及表面粗糙度检验。

实施例4：一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 15%，Si 1.3%，Ni 5%，P 0.025%，Fe 78.545%。该合金粉末采用气雾化法进行制备。

一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，包括以下步骤：

C、将轴颈位擦拭干净并利用权利要求1或2所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；所述的激光粉末熔覆层的厚度为0.5mm；

E、进行尺寸及表面粗糙度检验。

实施例5：一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 15%，Si 1.3%，Ni 5%，P 0.025%，Fe 78.545%。该合金粉末采用气雾化法进行制备。

一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，利用上述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理。

Claims

1. 一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，其特征在于，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 13%～17%，Si 1.3%，Ni 4%～6%，P 0<x<0.03%，余量为Fe；其中，x为P的重量百分比。

2. 根据权利要求1所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，其特征在于，按重量百分比计算，由以下原料粉末制备而成：C 0.13%，Cr 15%，Si 1.3%，Ni 5%，P 0.025%，Fe 78.545%。

3. 根据权利要求1或2所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，其特征在于，该合金粉末采用气雾化法进行制备。

4. 一种高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理，具体包括以下步骤：

C、将轴颈位擦拭干净并利用权利要求1或2所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复合金粉末，对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；其中，所述的对高速旋转机械轴的轴颈位进行激光熔覆处理的条件包括：光斑为3mm×3mm的方形光斑；电机转子轴的转动线速度为450～550mm/min；半导体直接输出激光器的功率为2000～2500W，使产生的激光与转子轴的轴颈位修复部位形成垂直照射；同时启动激光器和送粉器，边照射边送粉，在轴颈位形成激光粉末熔覆层；

E、进行尺寸及表面粗糙度检验。

5. 根据权利要求4所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，其特征在于，所述的激光粉末熔覆层的厚度为0.5～1.0mm。

6. 根据权利要求4所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，其特征在于，步骤C中，利用蘸有酒精的抹布将轴颈位擦拭干净。

7. 根据权利要求4所述的高速旋转机械轴的激光熔覆修复方法，其特征在于，所述的电机转子轴的转动线速度为500mm/min；半导体直接输出激光器的功率为2300W。