CN103409758B - 泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法，涉及机械制造与激光加工应用技术领域，本方法充分结合了激光熔覆和激光冲击强化的特点，即先对微细裂纹进行激光熔覆修复，再对熔覆层进行激光冲击强化处理，有效解决了泵类壳体及叶片在激光熔覆修复过程中易产生裂纹、气孔等内部缺陷问题，避免了常规加工方法中的焊接变形，热影响区大，易出现热裂纹等问题；该方法可在材料表面产生高幅值残余压应力,有效提高材料表面的微动疲劳抗力,综合改善材料的机械性能,大幅度提高材料的疲劳寿命,达到延寿和提高其可靠性和安全性的目的。

Description

泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法

技术领域

本发明涉及激光加工应用技术领域，特指一种激光熔覆冲击复合处理技术延长泵类壳体及叶片寿命方法，尤其适用于表面有微细裂纹的泵类壳体及叶片。

背景技术

激光熔覆是将具有特殊使用性能的材料用激光加热溶化涂覆在基体材料表面，获得与基体形成良好冶金结合和使用性能的涂层。激光熔覆可在材料表面制备耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化、抗疲劳的涂层，可以在较低成本的条件下，显著提高材料的表面性能，扩大其适用范围和领域，延长其使用寿命。

激光冲击强化（LSP）是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀等性能的技术。其原理是高能量短脉冲激光诱导的冲击波与材料相互作用，在金属材料表面形成塑性变形层,产生孪晶等晶体并形成极细小的位错亚结构，使材料表层形成很大的残余压应力，从而使金属材料的疲劳强度、硬度等性能得以提高，尤其是疲劳寿命。这一技术已在航空、船舶、机械工程、微电子等各行各业中得到了广泛应用，目前该技术主要用于材料改性、金属冲击强化和成形，以及无损检测等方面。

进入21世纪，保护地球环境、构建循环经济和保持社会可持续发展已成为世界各国共同关心的话题。目前大力提倡的循环经济模式是追求更大经济效益、更少资源消耗、更低环境污染的一种先进经济模式。所以产品的修复问题和延长使用寿命问题变的至关重要。

在实际生产应用中，泵类壳体在铸造、运输和运行等过程中，有可能产生微细裂纹，甚至局部损坏，叶片在运行一段时间后，由于在扭矩的长期作用下或铸造时在气孔、砂眼等在外部应力的作用下，也可能造成微细裂纹的产生。这些微细裂纹会给产品的安全运行带来很大威胁，因此对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，及时处理缺陷、消除事故隐患十分必要。目前用于修复泵类壳体及叶片裂纹的方法有氩弧焊、等离子喷涂、等离子电弧焊、钨极惰性气体保护焊和激光熔覆等方法。氩弧焊、等离子喷涂、等离子电弧焊、钨极惰性气体保护焊这些方法虽工艺简单但在修复过程中热输入量较大，热影响区极易出现热裂纹，焊接容易变形，使用过程中容易产生脱落、开裂等问题，同时修复过程中引起的收缩变形使叶片的安装精度难以保证，因此这些方法的应用具有很大的局限性。激光熔覆是超快速加热和超快速冷却的过程，具有对基材的热输入量少、热影响区小、熔覆层组织细小、与基体形成良好的冶金结合和易于实现自动化等优点，采用激光熔覆的方法修复泵类壳体及叶片裂纹与其他方法相比具有明显的优势，但在激光熔覆的过程中容易产生裂纹、气孔等内部缺陷而影响了熔覆层的质量。由于泵类壳体及叶片工艺非常注意可靠性和安全性，所以到目前为止大规模实际用于泵类壳体和叶片材料维修的技术很少，急需要发展新的理论、工艺和技术，丰富金属结构件维修的技术，为人们制定最佳的维修法案提供更多的选择范围。

目前，对于泵类壳体及叶片微细裂纹修复与延寿方面的方法主要为堆焊技术和激光技术修复：专利号为CN192489879A的中国专利公开了一种泵类零部件的微细裂纹快速修复延寿方法，该方法主要是单一利用激光冲击波的力效应对泵类壳体微细裂纹进行冷冲击强化，实现冲击波力效应所喷涂的涂料含10-60%复合钛粉或片状锌粉的40-120μm涂层，然该方法使用的修复材料为钛粉或锌粉价格昂贵，修复成本高，且对泵类零部件的裂纹采用单一的激光冲击波力效应冷强化修复，修复材料与基体的结合度难以保证。专利号为CN101821489A的中国专利公开了一种修复涡轮转子叶片同时抑制由于焊接导致的裂纹产生的方法，该方法主要通过堆焊技术在翼片的被损坏部分焊接覆盖金属；敲击在翼片和覆盖金属之间的边界区域以检测裂纹；然后执行固溶处理以修复涡轮转子叶片的翼片的破坏；然而该方法所采用的堆焊技术热影响区大，冲淡率大，焊层厚而不匀且加工余量大。

发明内容

本发明的目的在于解决泵类壳体及叶片延寿问题，提供了一种泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法。对损伤泵类壳体及叶片应用该发明方法修复后，可使泵类壳体及叶片的抗腐蚀性和抗疲劳性能得到大幅度提高，延长了泵类壳体及叶片的使用寿命，提高了其可靠性和安全性，解决了工程实际应用的难题。

本发明方法提供了一种泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法， 其特点在于先对微细裂纹进行激光熔覆修复，再对熔覆层进行激光冲击强化处理，在材料表面产生高幅值残余压应力和高的位错密度,有效提高材料表面的微动疲劳抗力,综合改善材料的机械性能,大幅度提高材料的疲劳寿命。具体修复工艺过程如下：

第1步：修复前需对损伤泵类壳体及叶片进行宏观检查，确定表面裂纹的位置，对于泵类壳体及叶片的内部裂纹与缺陷采用无损探伤检测中的磁粉探伤法和渗透探伤法：即对可以磁化的部位进行磁粉探伤，不能磁化的部位进行渗透探伤，以检测叶片裂纹的具体位置、形状及大小。

第2步：对损伤泵类壳体及叶片进行材料表面的除油除锈和喷砂处理，使表面洁净，防止杂质进入熔覆层形成夹杂物和缺陷，影响熔覆层质量和性能。

第3步：裂纹清理及开坡口。采用风铲方法铲除裂纹并成形坡口，坡口采用30%的硫酸或硝酸酒精清洗。

第4步：采用同步式激光熔覆修复损伤泵类壳体及叶片：即激光束经反射镜完成光束的汇聚和变换，同时送粉器把金属熔覆粉末送达预设位置，然后激光束经激光工作头输出作用于裂纹部位，利用其高能量，不断熔化金属熔覆粉末和叶片基体材料，使金属熔覆粉末和基体紧紧结合在一起，在工件由左向右以恒定速度运动下，成形熔覆层，从而完成损伤零部件表面的熔覆修复。

第5步：进行激光冲击强化处理。用酒精清洗熔覆层及高应力集中区表面,干燥后涂上黑漆,以水为约束层进行激光冲击强化处理,然后用酒精清洗冲击区的黑漆。

第6步：对修复后的泵类壳体及叶片裂纹表面采用异型砂轮进行修整，使其达到表面质量要求。

第7步：对修复件进行无损检测。

上述第4步中所述的同步式激光熔覆法选用的激光工艺参数为：激光的功率密度为10⁵~10⁶W/cm2，激光束的使用功率为1000~2000W，激光束光斑尺寸为10mm×2mm，激光脉宽为5ns~20ns，扫描速度为1~5mm/s，送粉量为5~15g/min，搭接系数为20%~30%。

上述第5步中所述的激光冲击强化处理选用的激光参数为：输出波长为10.6μm，脉冲能量为37J，光斑直径为2mm。

上述的泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法中，泵类壳体及叶片可以为任意形状、任意曲面，修复时选用的金属熔覆粉末依基体材料类型不同而有针对性选择。

本发明充分结合了激光熔覆和激光冲击强化的特点，避免了常规加工方法中的焊接变形，热影响区大，易出现热裂纹，使用过程中易产生脱落、开裂等问题，有效解决了激光熔覆过程中易产生的裂纹、气孔等内部缺陷问题。先对泵类壳体及叶片进行激光熔覆修复，使熔覆层材料与基体形成良好的冶金结合，提高了金属表面的耐磨、耐蚀和抗氧化能力，显著提高了材料的疲劳强度和使用寿命。再对熔覆层进行激光冲击强化处理，在材料表面产生高幅值残余压应力,有效提高材料表面的微动疲劳抗力, 抑制了疲劳裂纹的萌生，降低了疲劳裂纹的扩展速率。因此这种处理方法将使材料的耐磨性、抗蚀性和疲劳强度得到大幅度提高,进而延长了泵类壳体及叶片的使用寿命。

本发明的具体优点如下所述。

（1）修复效果更好：激光熔覆冲击复合处理不仅能有效修复泵类壳体及叶片的裂纹，而且激光冲击形成的残余应力层深度是机械喷丸形成的10倍左右，可显著提高泵类壳体及叶片的疲劳寿命达3倍以上。

（2）范围更广：对于一定的基体材料，可以选择适当的金属熔覆粉末进行修复。激光熔覆+激光冲击复合处理技术可以对任意形状、任意曲面进行修复，而其他修复方法都有其局限性。

（3）激光熔覆冲击复合处理技术修复材料表面的变形很小，不影响结构件心部性能。

（4）激光熔覆冲击复合处理技术修复简单快捷，效率高，大大降低了维修成本。

（5）激光熔覆冲击复合处理技术环保性优异：没有任何污染。避免采用回炉、冶炼等回收方式时对环境的二次污染，是绿色的再制造方法。

附图说明

图1　激光熔覆示意图。

图2  激光冲击强化示意图。

图中：1—激光束  2—反光镜  3—涂覆层  4—工件运动方向。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实施例。

本方法主要由四个流程步骤组成，第一步，确定损伤零部件，对其进行无损检测，对表面裂纹（或损伤）和缺陷处进行定位；第二步，如图1所示，对裂纹（或损伤）和缺陷处进行预处理后进行激光熔覆处理：激光束1经反射镜2完成光束的汇聚和变换，送粉器把熔覆金属粉末送达预设位置，然后激光束经激光工作头作用于金属粉末与材料表面，在工件由左向右（图1中工件运动方向4所示）以恒定速度运动下，成形熔覆层3，最终完成损伤零部件表面的熔覆修复；第三步，如图2所示对泵类壳体及叶片熔覆层进行激光冲击强化处理:用酒精清洗处理激光熔覆层及应力集中区材料表面,干燥后涂覆上黑漆作为激光冲击强化的吸收层,以水为约束层完成激光冲击对熔覆层和应力集中区的强化处理,以消除激光熔覆产生的裂纹、气孔及应力集中等缺陷；第四步，对修复后的泵类壳体及叶片裂纹表面采用异型砂轮进行修整，使其达到表面质量要求，以恢复泵类壳体及叶片表面原来的保护系统，并对修复后的零件进行无损探伤检测。

    以材料为2Gr13的汽蚀损伤泵体叶片为例，，先对泵体叶片进行宏观检查，确定损伤叶片裂纹的具体位置、形状和大小，然后对损伤叶片表面进行除油除锈和喷砂处理，激光功率选1500W，激光束光斑尺寸为10mm×2mm，激光脉宽为15ns，扫描速度为4mm/s，送粉量为10g/min，搭接系数为25%，熔覆材料选用与基体合金结合较好的Ni-Cr-Co合金粉末，对损伤部位进行激光熔覆修复，在工件以恒定速度运动下，成形所需熔覆层，待熔覆层冷却固化后，用砂轮对熔覆层进行修整，并用酒精对修整后的熔覆层进行清洗，选取激光脉冲能量为37J，输出波长为10.6μm，光斑直径为2mm，以水为约束层对熔覆区进行激光冲击。

用改复合方法处理修复后，经测试，基体原始态的平均硬度为257.5HV0.2，而经激光熔覆冲击复合技术修复后的区域平均硬度达到了698.3HV0.2，而且经超声波振动式汽蚀装置在3%的盐溶液中测试10h后，测得的失重量数据表明，经激光熔覆冲击复合处理技术修复后，泵类壳体及叶片的寿命延长1.5倍左右；对修复试件进行疲劳试验，并与处理前对比，发现裂纹萌生时的循环次数明显增加，从而极大地提高了疲劳寿命。研究结果表明，这种修复强化后零件硬度和强度显著提高，其表面由残余应力状态由拉应力变为压应力状态，从而其疲劳寿命和耐磨性等性能显著改善，这对泵类壳体及叶片的综合性能具有重要意义。

Claims (1)

1.泵类壳体及叶片微细裂纹激光强化延寿方法，其特征在于：先对微细裂纹进行激光熔覆修复，再对熔覆层进行激光冲击强化处理，在材料表面产生高幅值残余压应力,有效提高材料表面的微动疲劳抗力,综合改善材料的机械性能,大幅度提高材料的疲劳寿命, 达到延寿和提高其可靠性和安全性的目的;具体包括以下步骤：

第1步：选择材料为2Gr13的汽蚀损伤泵体叶片，修复前对材料为2Gr13的汽蚀损伤泵体叶片进行宏观检查，确定表面裂纹的位置；对于泵类壳体及叶片的内部裂纹与缺陷采用无损探伤检测中的磁粉探伤法和渗透探伤法：即对可以磁化的部位进行磁粉探伤，不能磁化的部位进行渗透探伤，以检测叶片裂纹的具体位置、形状及大小；

第2步：对损伤泵类壳体及叶片进行材料表面的除油除锈和喷砂处理，使表面洁净，防止杂质进入熔覆层形成夹杂物和缺陷，影响熔覆层质量和性能；

第3步：裂纹清理及开坡口；采用风铲方法铲除裂纹并成形坡口，坡口采用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；

第4步：采用同步式激光熔覆修复损伤泵类壳体及叶片：即激光束(1)经反射镜(2)完成光束的汇聚和变换，同时送粉器把金属熔覆粉末送达预设位置，然后激光束经激光工作头输出作用于裂纹部位，利用其高能量，不断熔化金属熔覆粉末和叶片基体材料，使金属熔覆粉末和基体紧紧结合在一起，在工件由左向右(4)以恒定速度运动下，成形熔覆层(3)，从而完成损伤零部件表面的熔覆修复；其中激光功率选1500W，激光束光斑尺寸为10mm×2mm，激光脉宽为15ns，扫描速度为4mm/s，送粉量为10g/min，搭接系数为25%，熔覆材料选用与2Gr13结合较好的Ni-Cr-Co合金粉末，对损伤部位进行激光熔覆修复；

第5步：进行激光冲击强化处理；用酒精清洗熔覆层及高应力集中区表面,干燥后涂上黑漆,以水为约束层进行激光冲击强化处理,然后用酒精清洗冲击区的黑漆；其中激光参数为：输出波长为10.6μm，脉冲能量为37J，光斑直径为2mm；

第6步：对修复后的泵类壳体及叶片裂纹表面采用异型砂轮进行修整，使其达到表面质量要求；

第7步：对修复件进行无损检测。