CN104611694A

CN104611694A - 一种激光-感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法

Info

Publication number: CN104611694A
Application number: CN201510039150.8A
Authority: CN
Inventors: 周圣丰; 戴晓琴
Original assignee: Nanchang Hangkong University
Current assignee: Nanchang Hangkong University
Priority date: 2015-01-27
Filing date: 2015-01-27
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明公开了一种激光-感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法，该方法的特点是：起始NiCrAlY粉末进行机械合金化处理后，具有薄片状的形貌，形成的物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al，粉末颗粒内具有大量的缺陷如空位、位错与孪晶，在激光－感应复合熔覆过程中能够极大地增加熔池的温度梯度与冷却速度，抑制柱状晶向等轴晶的转变，诱使物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的NiCrAlY涂层呈柱状晶生长，从而获得单晶NiCrAlY涂层。该方法制备的柱晶NiCrAlY涂层具有优异的抗高温氧化性能，在修复与表面强化航空发动机的高温端部件领域具有广阔的应用前景。

Description

一种激光-感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法

技术领域

本发明属于激光加工技术领域,具体涉及一种激光－感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法。

背景技术

相对于普通精密铸造合金而言，定向凝固高温合金没有垂直于应力方向的横向晶界，因此具有优异的高温强度、抗蠕变、热疲劳与振动阻尼性能，目前在先进航空发动机的涡轮叶片和导向叶片等领域正得到越来越广泛的应用。但是，定向凝固高温合金叶片在生产中可能存在局部冶金缺陷，这些缺陷如果是在叶片的顶部或中部将严重影响叶片的使用性能。因此，修复价格昂贵的定向凝固高温合金叶片，保证其安全稳定运行，延长其使用寿命，具有十分重要的理论意义与工程应用价值。

但是，定向凝固高温合金的铸造组织晶粒粗大，合金元素偏析严重，沉淀强化合金元素含量高，可焊接性差。因此，常规堆焊方法的热输入量较大，叶片的热影响区极易出现裂纹，局部发生重结晶而破坏定向凝固特征，影响使用寿命。激光熔覆具有高能密度、低热输入量以及快速加热与快速凝固等优点，同时激光熔覆过程中的超高温度梯度有利于显微结构的定向凝固生长，因此被认为是一种最佳的高温合金叶片的修复方法。

目前，一般采用激光熔覆NiCrAlY涂层来修改定向凝固高温合金叶片。其中，激光熔覆NiCrAlY涂层使用的NiCrAlY粉末通常为商用的热喷涂粉末，并不适合于激光熔覆快速加热与快速凝固的工艺本性，导致激光熔覆NiCrAlY涂层修复定向凝固高温合金叶片过程中，低熔共晶造成的热裂纹倾向很大；如果工艺参数控制不当，极易导致NiCrAlY涂层内柱状晶向等轴晶的转变，从而使形成多晶的NiCrAlY涂层，大幅度地降低其抗高温氧化性能。因此，如何抑制柱状晶向等轴晶的转变，获得单晶NiCrAlY涂层，从而大幅度提高NiCrAlY涂层的抗高温氧化性能无论在军机或民机上都是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光－感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法，制备适合于激光－感应复合熔覆工艺特征（快速加热与快速凝固）的NiCrAlY粉末，抑制NiCrAlY涂层内柱状昌向等轴晶的转变，获得呈柱状晶生长的单晶NiCrAlY涂层，可大幅度提高涂层的抗高温氧化性能与使用寿命。

本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：

（1）首先将Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉按质量百分比89: 10: 1混合，机械搅拌均匀后形成起始NiCrAlY粉末，然后放置于QM-3SP2型行星式球磨机内进行机械合金化处理，获得物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的球磨NiCrAlY粉末，其中，Ni-20Cr粉中Cr的质量百分含量为20%，Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉的粒径均为40~60 μm；机械合金化的工艺参数为：转速为250-300转/分；球磨时间为20-30小时，球磨环境为液氮，钢球与起始NiCrAlY粉末的质量百分比为32：1；

（2）将球磨NiCrAlY粉末采用多道多层激光－感应复合熔覆的方法，在经过除油与除锈处理的镍基高温合金表面制备成物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的柱晶NiCrAlY涂层，使用的激光器为横流CO₂激光器，使用的感应加热器为集成模块型高频感应加热器，具体工艺参数为：激光功率1~2 kW、激光扫描速度300~1000 mm/min、光斑直径0.5~2.5 mm、感应加热功率5~20 kW、感应加热线圈与镍基高温合金表面的距离为2-15 mm、镍基高温合金被预热的温度为100-300℃、送粉率10~80 g/min、喷射角45~53°、粉末喷嘴与镍基高温合金表面的垂直距离为10-15 mm；

（3）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的40~60%；

（4）检测NiCrAlY涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΔZ，该距离ΔZ为上一NiCrAlY涂层的厚度，重复步骤（2）－（3），直到NiCrAlY涂层达到所要求的厚度。

本发明的优点是：（1）球磨NiCrAlY粉末适合于激光－感应复合熔覆工艺特征，制备的NiCrAlY无气孔与裂纹；（2）克服了单纯激光熔覆NiCrAlY涂层柱状晶易向等轴晶转变的问题，在高效率加工条件下，获得柱状晶NiCrAlY涂层；（3）激光－感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层具有优异的抗高温氧化性能，相对于单纯激光熔覆或等离子喷涂相同成分材料的抗高温氧化性能提高2~5倍，服役寿命大幅度提高。

具体实施方式

以下对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

实施例1

在基材镍基高温合金GH4169表面制备柱晶NiCrAlY涂层，该涂层的厚度为3 mm。本实施例的实施过程为：

（1）首先将Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉按质量百分比89: 10: 1混合，机械搅拌均匀后形成起始NiCrAlY粉末，然后放置于QM-3SP2型行星式球磨机内进行机械合金化处理，获得物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的球磨NiCrAlY粉末，其中，Ni-20Cr粉中Cr的质量百分含量为20%，Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉的粒径均为40~60 μm；机械合金化的工艺参数为：转速为250转/分；球磨时间为20小时，球磨环境为液氮，钢球与起始NiCrAlY粉末的质量百分比为32：1；

（2）将球磨NiCrAlY粉末采用多道多层激光－感应复合熔覆的方法，在经过除油与除锈处理的镍基高温合金表面制备成物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的柱晶NiCrAlY涂层，使用的激光器为横流CO₂激光器，使用的感应加热器为集成模块型高频感应加热器，具体工艺参数为：激光功率1 kW、激光扫描速度360 mm/min、光斑直径1.0 mm、感应加热功率8 kW、感应加热线圈与镍基高温合金表面的距离为5 mm、镍基高温合金被预热的温度为150℃、送粉率15 g/min、喷射角45°、粉末喷嘴与镍基高温合金表面的垂直距离为10 mm；

（3）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的40%；

实施例2

在基材镍基高温合金K438表面制备柱晶NiCrAlY涂层，该涂层的厚度为5 mm。本实施例的实施过程为：

（1）首先将Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉按质量百分比89: 10: 1混合，机械搅拌均匀后形成起始NiCrAlY粉末，然后放置于QM-3SP2型行星式球磨机内进行机械合金化处理，获得物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的球磨NiCrAlY粉末，其中，Ni-20Cr粉中Cr的质量百分含量为20%，Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉的粒径均为40~60 μm；机械合金化的工艺参数为：转速为280转/分；球磨时间为25小时，球磨环境为液氮，钢球与起始NiCrAlY粉末的质量百分比为32：1；

（2）将球磨NiCrAlY粉末采用多道多层激光－感应复合熔覆的方法，在经过除油与除锈处理的镍基高温合金表面制备成物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的柱晶NiCrAlY涂层，使用的激光器为横流CO₂激光器，使用的感应加热器为集成模块型高频感应加热器，具体工艺参数为：激光功率1.5 kW、激光扫描速度600 mm/min、光斑直径1.5 mm、感应加热功率12 kW、感应加热线圈与镍基高温合金表面的距离为8 mm、镍基高温合金被预热的温度为200℃、送粉率20 g/min、喷射角50°、粉末喷嘴与镍基高温合金表面的垂直距离为12 mm；

（3）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的50%；

实施例3

在基材镍基高温合金DZ22表面制备柱晶NiCrAlY涂层，该涂层的厚度为8 mm。本实施例的实施过程为：

（1）首先将Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉按质量百分比89: 10: 1混合，机械搅拌均匀后形成起始NiCrAlY粉末，然后放置于QM-3SP2型行星式球磨机内进行机械合金化处理，获得物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的球磨NiCrAlY粉末，其中，Ni-20Cr粉中Cr的质量百分含量为20%，Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉的粒径均为40~60 μm；机械合金化的工艺参数为：转速为300转/分；球磨时间为30小时，球磨环境为液氮，钢球与起始NiCrAlY粉末的质量百分比为32：1；

（2）将球磨NiCrAlY粉末采用多道多层激光－感应复合熔覆的方法，在经过除油与除锈处理的镍基高温合金表面制备成物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的柱晶NiCrAlY涂层，使用的激光器为横流CO₂激光器，使用的感应加热器为集成模块型高频感应加热器，具体工艺参数为：激光功率2 kW、激光扫描速度900 mm/min、光斑直径2.0 mm、感应加热功率15 kW、感应加热线圈与镍基高温合金表面的距离为10 mm、镍基高温合金被预热的温度为300℃、送粉率35 g/min、喷射角53°、粉末喷嘴与镍基高温合金表面的垂直距离为15 mm；

（3）当激光－感应复合熔覆完一道之后，沿激光扫描速度的垂直方向移动数控机床，其移动的距离为激光光斑直径的60%；

Claims

1.一种激光-感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法，其特征是方法步骤为:

（1）首先将Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉按质量百分比89: 10: 1混合，机械搅拌均匀后形成起始NiCrAlY粉末，然后放置于球磨机内进行机械合金化处理，获得物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的球磨NiCrAlY粉末；

（2）将球磨NiCrAlY粉末采用多道多层激光－感应复合熔覆的方法，在经过除油与除锈处理的镍基高温合金表面制备成物相结构为γ-Ni/γ^’-Ni₃Al的柱晶NiCrAlY涂层，使用的激光器为横流CO₂激光器，使用的感应加热器为集成模块型高频感应加热器；

（4）检测NiCrAlY涂层的厚度是否达到预期的要求，如果没有，将激光头沿Z轴方向上升一段距离ΔZ，该距离ΔZ为上一NiCrAlY涂层的厚度，重复步骤（2）和步骤（3），直到NiCrAlY涂层达到所要求的厚度。

2.根据权利要求1所述的一种激光-感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，Ni-20Cr粉中Cr的质量百分含量为20%，Ni-20Cr粉、Al粉与Y₂O₃粉的粒径均为40~60 μm；机械合金化的工艺参数为：转速为250-300转/分；球磨时间为20-30小时，球磨环境为液氮，钢球与起始NiCrAlY粉末的质量百分比为32：1。

3.根据权利要求1所述的一种激光-感应复合熔覆柱晶NiCrAlY涂层的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，激光功率1~2 kW、激光扫描速度300~1000 mm/min、光斑直径0.5~2.5 mm、感应加热功率5~20 kW、感应加热线圈与镍基高温合金表面的距离为2-15 mm、镍基高温合金被预热的温度为100-300℃、送粉率10~80 g/min、喷射角45~53°、粉末喷嘴与镍基高温合金表面的垂直距离为10-15 mm。