CN105506505A - 修复受损轴流风机叶片的激光熔覆Fe基合金粉末及修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于修复受损轴流风机叶片的激光熔覆Fe基合金粉末及修复方法,包括质量百分比的原料:Si?1.0~1.5%;B?1.0~1.5%;V?0.3~0.5%;W?1.5~2.5%;Cr?15~17%;Fe?55~60%;Co?6~10%;Ni?13~15%。修复方法包括,对受损轴流风机叶片进行熔覆前预处理,采用数控激光熔覆机,以氩气气氛下,采用CO2激光器为发射激光源,以及锥形粉束同轴送粉方式,将配制的混合粉体对受损鼓风机叶片进行多道搭接激光熔覆。本发明采用奥氏体为主相,Cr和Ni两种元素稳定主相,提高耐蚀性;添加V、W和Co保证熔覆层耐磨性,降低Si和B元素含量,减少熔覆层多道搭接时开裂现象。其熔覆层质量好,无裂纹,耐蚀性好,成本低,能够保证沿海地区轴流风机叶片的修复质量和有效寿命。
Description
技术领域
本发明属于表面工程技术领域,特别涉及一种沿海地区轴流风机叶片表面激光熔覆用Fe基合金粉末的设计,属于表面技术和再制造技术应用工程领域。
背景技术
随着表面工程技术的不断发展,激光熔覆在循环经济再制造领域中发挥的作用日趋重要。目前,激光熔覆材料主要采用热喷涂自熔性合金粉末,易引起气孔和裂纹,专用合金粉是激光熔覆领域的研究焦点。
轴流风机是冶金领域高炉鼓风的必要动力装备。近十年来,随着钢铁企业的蓬勃发展,轴流风机得到了显著发展和广泛应用,有效促进了国民经济的增长。轴流叶片是透平设备的核心零部件,为满足再制造需求,采用激光熔覆技术对轴流不锈钢叶片进行修复,是缩短检修周期、降低检修费用的有效途径之一。随着国内各大钢铁企业高炉用轴流风机检修期的陆续到来,对叶片类核心部件的再制造技术提出了新挑战。开发适用的防腐耐磨激光熔覆用粉末是此类不锈钢叶片再制造的技术难题。
铁基金属材料采用Fe基熔覆合金,涂层与基体成分相近,界面结合牢固,可减少昂贵的镍基和钴基合金的使用,降低成本。但对于沿海地区用轴流风机叶片的激光修复,采用传统Fe基合金粉末已经不再适应,其技术难度表现在两方面:其一,此类机组叶片服役时需承受弯曲应力及离心力的协同作用,且工作介质为高温(-20~350℃)、含有硬质磨粒(如Al2O3、SiO2粉尘等)及各种腐蚀性介质(如Cl-,CO,SO2,CO2,H2S,水汽等)的工业气体,特别是沿海地区氯离子含量高,对修复后熔覆层的耐蚀性提出更高要求,常规的Fe基合金粉末难以满足;另一方面,为提高再制造利用率,叶片往往需大尺寸修复,传统激光熔覆Fe基粉末常因熔覆合金不适用导致熔覆层开裂,这源于搭接区受到激光二次重熔以及后道对前道的回火作用,使得多道熔覆层搭接区的组织明显劣化,如果能通过调控合金粉成分和比例来调整激光熔覆层物相,可有望改变此类技术问题。如何设计并开发适用的防腐耐磨激光熔覆用粉末是该技术的焦点和难点。
发明内容
本发明的目的是针对沿海轴流风机易腐蚀工况介质提供一种不锈钢叶片表面激光熔覆用Fe基合金粉末的配方。该配方利用V、W、Cr、Co、Ni等元素改善了材料的相容性,使熔覆层合金的综合性能良好,在保证熔覆层具有适当强度和硬度的前提下,有效提高了合金层的耐蚀性能,为沿海地区轴流风机叶片的激光修复提供了一种适用的熔覆粉末。
为达到上述目的,根据本发明的实施例提供的一种用于修复受损轴流风机叶片的激光熔覆Fe基合金粉末,其特征在于,包括下述质量百分比的原料:
Si1.0~1.5%;B1.0~1.5%;V0.3~0.5%;W1.5~2.5%;Cr15~17%;Fe55~60%;Co6~10%;Ni13~15%。
相应地,本发明给出了一种利用激光熔覆Fe基合金粉末修复受损轴流风机叶片的方法,包括下述步骤:
1)对2Cr13型不锈钢受损轴流风机叶片进行熔覆前常规预处理:去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.2μm,最后用丙酮、酒精清洗干净;
2)配比激光熔覆Fe基合金粉末:将1.0~1.5%Si;1.0~1.5%B;0.3~0.5%V;1.5~2.5%W;15~17%Cr;55~60%Fe;6~10%Co;13~15%Ni按照质量比进行混合;
3)采用数控激光熔覆机,以氩气为保护气,采用CO2激光器为发射激光源,以及锥形粉束同轴送粉方式,将步骤2)配制的混合粉体对受损轴流风机叶片进行多道搭接激光熔覆,搭接系数为0.6,熔覆层厚度为1.0mm。
进一步,所述激光熔覆的功率为2.3~2.5KW、光斑直径为1.5~2mm、扫描速度为2.0~3.0mm/s、送粉速度为5~8g/min。
进一步,在叶片基体上采用激光熔覆的方式用Fe基合金粉末进行多道搭接,熔覆合金层以奥氏体为主相,其冲击功>27J,硬度为280~305HV,合金层平均腐蚀速率为1.00~2.75g/(m2·h)。
进一步,采用所述激光熔覆的方式用Fe基合金粉末在沿海地区轴流风机叶片表面修复应用。
本发明的有益效果如下:
与常规Fe基合金粉末不同,通过调整或添加合金元素的含量设计熔覆专用Fe基合金粉末,改善熔覆层合金的综合性能,以提高熔覆层的耐蚀能力并解决大面积多道搭接易开裂问题。与常规Fe基合金粉末相比,添加适量的Cr、V元素可以细化组织晶粒,提高熔覆层的耐蚀性及合金层的淬透性和强韧性;降低适量的Si、B元素可改善熔池金属的流动性,减少裂纹倾向性,利于Fe基合金激光熔覆层的表面成形;适量Co、W元素的引入可改善熔覆层的耐磨性。基于此,本发明优化了上述合金元素在粉末中的配比。实验表明,采用本发明粉末形成的熔覆层外观质量好,无开裂现象,耐蚀性显著提升,熔覆合金表现良好的综合性能,满足沿海地区轴流风机叶片再制造修复所需要求。
附图说明
图1(a)是实施例某高炉鼓风轴流风机因腐蚀失效图;
图1(b)是采用本发明实施例再制造运行3年后(b)的叶片形貌对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明利用激光熔覆Fe基合金粉末修复受损轴流风机叶片的方法,包括下述步骤:
1)选取2Cr13型不锈钢为基体,加工成55mm×10mm×10mm的试块,试样表面去油、去锈并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.2μm,并用丙酮、酒精清洗干净,进行熔覆前预处理;
2)配比激光熔覆用不同成分的Fe基合金粉末:Fe、Cr、Ni、Co、B、Si、W、V;Fe基合金粉末按照下述质量百分比原料配制:
Si1.0~1.5%;B1.0~1.5%;V0.3~0.5%;W1.5~2.5%;Cr15~17%;Fe55~60%;Co6~10%;Ni13~15%。
3)采用HGL-JKR5250多功能数控激光熔覆机,在氩气保护气氛下,CO2激光器为发射激光源,采用锥形粉束同轴送粉法进行多道搭接激光熔覆,搭接系数为60%,熔覆层厚度约为1mm。基体工艺参数为:激光功率2.3~2.5KW、光斑直径1.5~2mm、扫描速度2.0~3.0mm/s、送粉速度5~8g/min。
4)熔覆后进行微观结构和性能检测。
将熔覆后的试样沿垂直于扫描方向进行线切割,用渗透法检测熔覆层表面及横断面的裂纹,采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱(EDAX)进行微观结构表征;基于电化学腐蚀试验、盐雾腐蚀试验、显微硬度和冲击试验评价耐蚀性和力学性能。其中,电化学腐蚀试验条件和盐雾腐蚀试验条件见表一,盐雾腐蚀试验时间为720h。冲击试验选用JB60型摆锤式冲击试验机,按照冲击功测试要求,制备10mm×10mm×55mm的标准冲击试样,并在试样上开设V型缺口。V型缺口的开设位置是平行于涂层表面而完全在涂层侧。分别在室温、450℃、650℃做冲击实验,每组取三个试样,结果取平均值。
表一电化学腐蚀实验腐蚀条件
本实施方式中的试样选取与沿海地区轴流风机叶片材质相同,从以上试验结果可以证明,采用激光熔覆的方式用Fe基合金粉末能够对沿海地区轴流风机叶片进行修复。且表一结果证明采用该方式效果良好,其熔覆合金层的冲击功>27J,硬度为280~305HV,合金层平均腐蚀速率为1.00~2.75g/(m2·h),比基体的耐蚀性提高1倍以上。
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
在2Cr13叶片用钢上采用调整配方的Fe基合金粉末进行激光熔覆。熔覆时用氩气保护,采用HGL-JKR5250多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆。工艺参数为:激光功率2.5kW,光斑直径2.0mm,扫描速度3.0mm/s,送粉速度8.0g/mm。
本实施例中Fe基合金粉末配比为1.4%Si、1.3%B、0.43%V、2.3%W、15.3%Cr、7.0%Co、13.2%Ni,余量Fe为59.07%。熔覆样品熔覆层形貌光亮、无裂纹,成形性良好,物相以奥氏体为主相,铁素体为辅相,纤维组织为细小的树枝晶,发展良好;电化学试验腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流Icorr分别为-0.173V和2.41×10-7A/cm3,冲击功AkV(室温)为30.7J、(450℃)为33.5J、(650℃)为35.6J;硬度为292~305HV。盐雾腐蚀环境下基体与熔覆合金层出现锈斑的时间分别为70h和150h,平均腐蚀速率分别为2.75g/(m2·h)和1.25g/(m2·h)。熔覆涂层显著提高了基体的抗盐雾腐蚀能力,延长了材料的使用寿命。
实施例2
在2Cr13叶片用钢上采用调整配方的Fe基合金粉末进行激光熔覆。熔覆时用氩气保护,采用HGL-JKR5250多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆。工艺参数为:激光功率2.3kW,光斑直径2.0mm,扫描速度2.0mm/s,送粉速度6.0g/mm。
本实施例中Fe基合金粉末配比为1.5%Si、1.0%B、0.5%V、1.5%W、17%Cr、8.5%Co、15%Ni,余量Fe为55%。物相以奥氏体为主相,铁素体为辅相,纤维组织为细小的树枝晶,发展良好;电化学试验腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流Icorr分别为-0.157V和1.56×10-7A/cm3,冲击功(室温)为31.6J、(450℃)为34.3J、(650℃)为37.1J,硬度为280~296HV。盐雾腐蚀环境下基体与熔覆合金层出现锈斑的时间分别为70h和160h,平均腐蚀速率分别为2.75g/(m2·h)和1.03g/(m2·h)。熔覆涂层显著提高了基体的抗盐雾腐蚀能力,延长了材料的使用寿命。
实施例3
在2Cr13叶片用钢上采用调整配方的Fe基合金粉末进行激光熔覆。熔覆时用氩气保护,采用HGL-JKR5250多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆。工艺参数为:激光功率2.3kW,光斑直径1.5mm,扫描速度2.3mm/s,送粉速度6.0g/mm。
本实施例中Fe基合金粉末配比为1.0%Si、1.5%B、0.3%V、2.5%W、16.7%Cr、10%Co、12.6%Ni,余量Fe为55.4%。物相以奥氏体为主相,铁素体为辅相,纤维组织为细小的树枝晶,发展良好;电化学试验腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流Icorr分别为-0.269V和2.81×10-7A/cm3,冲击功(室温)为28.4J、(450℃)为30.2J、(650℃)为35.7J,硬度为283~298HV。盐雾腐蚀环境下基体与熔覆合金层出现锈斑的时间分别为70h和165h,平均腐蚀速率分别为2.75g/(m2·h)和1.15g/(m2·h)。熔覆涂层显著提高了基体的抗盐雾腐蚀能力,延长了材料的使用寿命。
实施例4
在青岛某高炉鼓风轴流风机已服役3年的2Cr13叶片用钢上采用调整配方的Fe基合金粉末进行激光熔覆再制造,熔覆前叶片腐蚀形貌见图1(a)。熔覆前对叶片需要修复部位进行打磨清理并除油除锈;熔覆时用氩气保护,采用HGL-JKR5250多功能数控激光熔覆机进行激光熔覆,工艺参数为:激光功率2.4kW,光斑直径1.5mm,扫描速度2.4mm/s,送粉速度7.0g/mm。
本实施例中Fe基合金粉末配比为1.3%Si、1.2%B、0.38%V、2.2%W、16.8%Cr、6.0%Co、14.5%Ni,余量Fe为57.7%。熔覆层修复部位光滑过渡,着色探伤无缺陷,硬度为290~305HV。修复后的叶片在用户现场投运后安全使用已满3年,见图1(b)所示,满足用户要求,熔覆涂层显著提高了叶片基体的抗盐雾腐蚀能力,延长了材料的使用寿命。
本发明研发的激光熔覆Fe基合金粉末与以往的Fe基粉末相比,更适用于沿海地区轴流风机叶片2Cr13型不锈钢。首先,在同样实验条件下,本发明另辟蹊径,采用奥氏体为主相,Cr和Ni两种元素稳定主相,提高耐蚀性;此外,在添加V、W和Co保证熔覆层耐磨性的同时降低Si和B元素含量,减少熔覆层多道搭接时开裂现象。因熔覆材料成分调配合理,熔覆层质量好,无裂纹,且设计简单成本合理,能够保证沿海地区轴流风机叶片的修复质量和有效寿命。
可以理解的是,虽然本发明已以较佳实施例披露如上,然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (5)
1.一种用于修复受损轴流风机叶片的激光熔覆Fe基合金粉末,其特征在于,包括下述质量百分比的原料:
Si1.0~1.5%;B1.0~1.5%;V0.3~0.5%;W1.5~2.5%;Cr15~17%;Fe55~60%;Co6~10%;Ni13~15%。
2.一种利用激光熔覆Fe基合金粉末修复受损轴流风机叶片的方法,其特征在于,包括下述步骤:
1)对2Cr13型不锈钢受损轴流风机叶片进行熔覆前常规预处理:去油、去锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra=0.2μm,最后用丙酮、酒精清洗干净;
2)配比激光熔覆Fe基合金粉末:将1.0~1.5%Si;1.0~1.5%B;0.3~0.5%V;1.5~2.5%W;15~17%Cr;55~60%Fe;6~10%Co;13~15%Ni按照质量比进行混合;
3)采用数控激光熔覆机,以氩气为保护气,采用CO2激光器为发射激光源,以及锥形粉束同轴送粉方式,将步骤2)配制的混合粉体对受损轴流风机叶片进行多道搭接激光熔覆,搭接系数为0.6,熔覆层厚度为1.0mm。
3.根据权利要求2所述的一种利用激光熔覆Fe基合金粉末修复受损轴流风机叶片的方法,其特征在于,所述激光熔覆的功率为2.3~2.5KW、光斑直径为1.5~2mm、扫描速度为2.0~3.0mm/s、送粉速度为5~8g/min。
4.根据权利要求2所述的一种利用激光熔覆Fe基合金粉末修复受损轴流风机叶片的方法,其特征在于,在叶片基体上采用激光熔覆的方式用Fe基合金粉末进行多道搭接,熔覆合金层以奥氏体为主相,其冲击功>27J,硬度为280~305HV,合金层平均腐蚀速率为1.00~2.75g/m2·h。
5.根据权利要求2所述的利用激光熔覆Fe基合金粉末修复受损轴流风机叶片的方法,其特征在于,采用所述激光熔覆的方式用Fe基合金粉末在沿海地区轴流风机叶片表面修复应用。
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