CN105729036A - 脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环的合金材料与工艺 - Google Patents

Abstract

本项发明为用脉冲激光精密焊接增材修复冲蚀损伤的涡轮增压器喷嘴环材料工艺技术。其特征要点在于：1）脉冲激光精密焊接增材修复前要清除待修复的涡轮增压器喷嘴环待修复损伤部位的疲劳层。2）使用YAG脉冲激光焊接机，调整设定具有前峰值功率的阶梯波形的脉冲，进行脉冲激光精密焊接增材修复冲蚀损伤的涡轮增压器喷嘴环。3)研发了脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环用的填充合金材料YSTN?NC合金。YSTN?NC合金为一种含有铬、钼、铌、钛、铝等合金元素的镍基合金。

Description

脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环的合金材料与 工艺

技术领域

本项发明属于高新材料工艺技术领域，特别涉及一种适用于脉冲激光精密焊接修复涡轮增压器喷嘴环的合金材料及其工艺技术。

背景技术

涡轮增压器（Turbocharger）是利用内燃发动机排出的燃烧废气的熵和动能驱动涡轮，涡轮带动同轴的压气叶轮，叶轮压送从空气滤清器管道送来的空气，使之增压，将压缩的空气送入燃烧室、进而提高发动机的输出功率。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置，而被广泛使用。增压器是由涡轮室和增压器组成，涡轮室进气口与内燃机的排气歧管相连。由内燃机排出的高温燃烧废气（柴油机排出的燃烧废气的温度在800-1000K）经排气歧管，进入涡轮增压器的涡轮室，经喷嘴环驱动涡轮。喷嘴环结构形状复杂（如说明书附图1所示），两个导流片间的间隔截面逐渐减小，即其气流通道截面积逐渐缩小，从而使流经的气流速度提高。按一定角度排列的气流通道还起导向作用，使气流按一定方向冲击涡轮，使涡轮高速旋转。因而喷嘴环也受到高温燃烧废气的冲蚀，特别是喷嘴环内径导流片的内测气流喷出的部位，是燃烧废气流流速最高的部位，冲蚀损伤尤为严重（参见说明书附图2）。对于海上船舶燃烧重油的柴油机，由于重油中含有较多的杂质，海洋大气中有较高的盐分，涡轮增压气喷嘴环经受更为严酷的冲蚀，导致喷嘴环报废。说明书附图2给出海上船舶使用的经受高温燃烧废气冲蚀损坏的涡轮增压气喷嘴环的照片。喷嘴环结构形状精密复杂，又多用耐高温的合金制造，价格昂贵，特备是有些型号备配件稀缺，因此希望能修复再造，满足使用。然而用常规焊接方法，如电弧焊或氩弧焊，焊接增材，因其热影响区较大，导致工件变形，而无法收拾。为此本项发明用脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环及其所用的合金材料。

发明内容

本项工作发明了、涡轮增压器喷嘴环材料工艺技术。发明了用于脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环的合金材料YSTM-NC。

涡轮增压器喷嘴环的工作时经受来自内燃机排出的高温燃烧废气的冲蚀作用。特别是目前船用柴油机多燃烧重油，加之船舶在海上航行，海上大气含有较高的盐分，柴油机排出的燃烧废气含有较高的硫化物和氯化物以及燃烧生成的微粒，使涡轮增压器喷嘴环经受较严酷的高温腐蚀与冲蚀的联合作用。且海洋气氛中的碱金属化合物对金属的腐蚀也有加速作用。在涡轮增压器喷嘴环上燃气导流片的出口端气流速度较高，经受的冲蚀更为严重，常在这一区域发生严重的冲蚀损伤，以致缺损（参见说明书附图2）。在这一部位应使用比整体合金有更高的耐热耐冲蚀合金材料。为此设计用于涡轮增压器喷嘴环脉冲激光精密焊接增材修复的合金材料为一种有较高铬（Cr）含量并附加有其它能提高合金高温强度的元素的镍（Ni）基合金。

具有面心立方晶格组织的镍（Ni）基合金可溶解较多的铬（Cr）。铬（Cr）的原子半径为140pm(picometers , 1pm =1×10⁻¹² m)比镍的原子半径大（镍（Ni）的原子半径为135pm），在NI-Cr合金中，适量的铬起到固溶强化作用。铬又能提高合金的耐腐蚀性。在合金中加入适量的高熔点的元素钼（Mo），（钼的熔点2896 K（2623 °C），镍的熔点1728 K（1455 °C），钼的原子半径为145pm）既能提高合金的耐热性，提高合金的强度，更提高镍基合金的抗氯离子、耐海水腐蚀性能。加入合金元素铌（Nb）（铌的熔点2750 K（2477 °C），原子半径为145pm）提高合金的强度、特别是提高合金的高温强度；加入少量的铝（Ai）和钛（Ti）可形成金属间化合物起弥散强化作用。基于上述，用于脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环的YSTN-NC合金的成分质量百分数如下：

镍（Ni）：40--65%，铬（Cr）：15--35%，钼（Mo）：6.0--12%，铌（Nb）：0.5-5.0%，铁（Fe）：1.0-5.0%，铝（Al）：0.05-1.50%，钛（Ti）：0.05-1.50%，锰（Mn）：0.05-0.50%，硅（Si）：0.05-0.50%，硫（S）：低于0.015%，磷（P）：低于0.015%。

涡轮增压器喷嘴环结构形状精密复杂，又属于薄壁件，用常规焊接方法（包括电弧焊、氩弧焊）导致喷嘴环变形而无法收拾。激光作一种高精度热源，热源集中，热影响区很小，可作为材料精细加工的有效工具。本项工作特点如下；

1）使用YAG脉冲激光器，

2）调控激光束作用在工件表面上的光斑直径在0.5mm。

3）设定激光功率、脉宽与波形、频率。

调控脉冲波形为前峰值阶梯波形：即1msec(毫秒)升至所选功率峰值、持续2msec、经0.5msec降至工作功率、根据需要持续一段时间（数毫秒）后，功率缓降至0（参见说明书附图3 ）。根据工件具体情况设定功率、脉宽和频率。

4）用上述YSTN-NC合金制成的直径0.3mm金属丝作为脉冲激光焊接增材的填充材料。

5）对待修复的喷嘴环进行表面清理，去除冲蚀损伤疲劳层，着色渗透探伤确认无裂纹，再次清洗表面准备激光焊接增材修复。

6）在氩气保护下对冲蚀磨损损伤的涡轮增压气喷嘴环进行脉冲激光焊接增材修复（激光焊接增材修复后的形貌参见说明书附图4）。

7）激光焊接增材修复后，再经机械加工即可交付使用。

经激光焊接增材修复后的喷嘴环在船用柴油机涡轮增压器上装机使用，结果表明达到较好的使用效果。

实施例：

对一被严重冲蚀-腐蚀损伤的涡轮增压器喷嘴环以本工作研发的YSTN-NC合金丝作为焊接增材填充材料、用脉冲激光精密焊接增材进行修复。

修复的涡轮增压器喷嘴环（参见说明书附图1）的特征尺寸为：外径为217mm、内径180mm、宽度42mm、有24个导流通道。修复工艺如下：

1，待修复的喷嘴环的清理准备：

1-1 对待修复的喷嘴环进行表面清理，去除其表面的油污、积碳等沉积污物；

1-2 去除待修复的喷嘴环导流片上的冲蚀损伤疲劳层；

1-3着色渗透探伤确认无裂纹，再次清洗表面准备激光焊接增材修复（见说明书附图2）。

2，选用研发的YSTN-NC合金制成的直径0.3mm金属丝作为脉冲激光焊接增材的填充材料。

3，脉冲激光焊接增材准备：

3-1 用300W YAG脉冲激光焊接机

3-2 调控激光束作用在工件表面上的光斑直径在0.5mm。

3-3 设定激光功率、脉宽与波形、频率。

调控脉冲波形为前峰值阶梯波形：即从0 开始经1msec(毫秒)升至所选功率峰值、持续2msec、经0.5msec降至0.70的峰值功率、持续5mscd，经2.5mscd功率缓降至0（见说明书附图3 ）。脉宽为11mscd，频率为8Hz。

4 按上述脉冲激光参数，使用YSTN-NC合金制成的直径0.3mm金属丝作为填充材料，在氩气保护下进行脉冲激光焊接增材修复。

说明书附图4给出用YSTN-NC合金制成的直径0.3mm金属丝作为填充材料脉冲激光焊接增材修复后的涡轮增压气喷嘴环上导流片修复部位的形貌照片。

脉冲激光焊接增材修复后的涡轮增压气喷嘴环再经机械加工达到形状尺寸要求即可交付使用。

附图说明

图 1是一种涡轮增压气喷嘴环照片的图

图 2是工作一段时间后被发动机燃烧废气冲蚀损伤的涡轮增压气喷嘴环清理后看到导流片损伤部位的形貌照片的图

图 3是使用的激光脉冲波形的图

图 4是冲蚀损伤的涡轮增压气喷嘴环损伤部位用脉冲激光以YSTN-NC合金脉冲激光焊接曾材部位的照片的图。

Claims (5)

1.本项发明为用脉冲激光精密焊接增材修复冲蚀损伤的涡轮增压器喷嘴环材料工艺技术。

2.其特征要点在于：

脉冲激光精密焊接增材修复前要清除待修复的涡轮增压器喷嘴环待修复损伤部位的疲劳层。

3.使用YAG 脉冲激光焊接机，调整设定具有前峰值功率的阶梯波形的脉冲，进行脉冲激光精密焊接增材修复冲蚀损伤的涡轮增压器喷嘴环。

4.以研发的YSTN-NC合金作为脉冲激光精密焊接增材修复涡轮增压器喷嘴环的填充合金材料。

5.YSTN-NC合金的成分质量百分数如下：

镍（Ni）：40--65%，铬（Cr）：15--35%，钼（Mo）：6.0--12%，铌（Nb）：0.5-5.0%，铁（Fe）：1.0-5.0%，铝（Al）：0.05-1.50%，钛（Ti）：0.05-1.50%，锰（Mn）：0.05-0.50%，硅（Si）：0.05-0.50%，硫（S）：低于0.015%，磷（P）：低于0.015%。