CN106862789A - K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接的应用 - Google Patents

K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接的应用 Download PDF

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古鸣
刘仍
黄国滔
李巍
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Abstract

本发明公开了K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接方面的应用。本发明通过对对K4208耐磨合金采用宽脉冲熔焊工艺研究，优化焊接工艺参数，其焊接后耐磨性能(硬度)与俄制ВЖЛ2‑ВИ相当，K4208耐磨合金能替代俄制耐磨合金ВЖЛ2‑ВИ进行修理。

Description

K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接的应用
技术领域
本发明涉及焊接方面技术领域，具体地说是涉及K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接方面的应用。
背景技术
RD-93发动机是俄罗斯较为先进第3代航空发动机，在引进修理技术时受到限制，特别是先进的焊接、表面工程和热处理等关键的特种工艺更为严格控制，这些工艺的引进受到俄罗斯国防技术出口限制，低压涡轮叶片叶冠耐磨合金焊接工艺为限制技术出口之一。而RD-93发动机原装的低压涡轮叶片上的耐磨块测试硬度在HV600以上,，耐磨块经化学成分分析，其成分与K4208合金相同。K4208耐磨合金应用研究鲜有报道，国产发动机涡轮叶片叶冠耐磨层多采用堆焊工艺，其耐磨材料为CoCrMo/CoCrW材料。我国某型新研制涡扇发动机机低压涡轮叶片叶冠耐磨层采用堆焊接K4208合金，其平均硬度为HV550左右。K4208合金铸造高温合金，其基体的硬度为约为HV480，有优异高温抗氧化性能和高温硬度稳定性能，主要特点有熔点高，硬度、高温拉伸强度和持久性能好，耐磨性好膨胀系数小，可焊性性好。
因此，国内现有焊接工艺不能满足RD-93发动机低压涡轮叶片的修理，必须进行焊接工艺的开发。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接方面的应用。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：1、K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接方面的应用；2、K4208合金在RD-93发动机低压涡轮叶片叶冠焊接方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、采用脉冲宽电流焊接K4208耐磨块具有均匀的枝晶组织，融合区小于0.5mm，硬度在HV600以上，采用该工艺焊接耐磨层有利于去除和重新修理；2、采用脉冲宽流量焊接K4208耐磨层性能与俄制的ВЖЛ2-ВИ耐磨合金相近，可用采用脉冲宽流量焊接K4208合金替代ВЖЛ2-ВИ耐磨合金用于修理低压涡轮叶片叶冠的修理。
附图说明
图1耐磨低压涡轮叶片叶冠耐磨块焊接示意图；
图2半自动化低压涡轮转子叶片叶冠耐磨块焊接辅助系统的结构示意图；
图3原始粗晶局部组织形貌；
图4 K4208焊接后的典型组织；
图5焊点交接位置未融合形貌(电流80A)；
图6交接位置基体晶界局部加粗典型形貌(电流150A)；
图7交接位置局部轻微开裂典型形貌(电流160A)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例中的K4208合金为现有技术，来自北京钢铁研究院总院。
1、试验
1.1试验设备
显微维氏硬度计：恒一EM-1000VP，硬度检测：试验载荷为300g，压头加载时间10S；显微镜：德国蔡司电子显微镜；
1.2、耐磨块的制备
按照RD-93发动机低压涡轮叶片焊接的耐磨合金要求，将K4208合金采用普通的线切割将成符合焊接用的尺寸5.2x4.5x1.5mm，在HCl+FeCL3+HNO3溶液进行5-10min酸洗去除线切割电腐蚀层，制备成满足发动机修理焊接要求，最好，该混合溶溶液中HCl、FeCL3和HNO3的体积比为：1:1:1，当然也可以按照实际要求进行配制。
1.3、焊接工艺
采用脉冲宽电流焊接，用半自动化低压涡轮转子叶片叶冠耐磨块焊接辅助系统进行焊接，如图1所示，该半自动化低压涡轮转子叶片叶冠耐磨块焊接辅助系统，包括工作台1、微电脑控制器2、支架3、伺服电机5、丝杠组合件6、夹具组合件10，其中微电脑控制器2，伺服电机5、丝杠组合件6、夹具组合件10均未现有技术，夹具组合件10固定在工作台1上，用于固定低压涡轮叶片，工作台1上设有支架导轨13；支架3底部固定在支架导轨13上，这样支架3便能在支架导轨13上前后滑动；支架3的左右支柱上分别设有竖导轨4；支架3顶部设有伺服电机5；伺服电机5通过丝杠组合件6与后支承板7连接；后支承板7通过螺钉与前压板9固定连接；后支承板7与横导轨8固定连接；横导轨8固定在横梁11上；横梁11两端连接滑块12；滑块12固定在竖导轨4，并能沿竖导轨4上下滑动；微电脑控制器2与伺服电机5电性连接，为了便于操作微电脑控制器2固定在工作台1上；该微电脑控制器2与焊接设备(图中未画出来)电性连接。
具体操作如下：
(一)、设备调整：
1、焊枪的固定和调整：焊枪通过前压板9进行固定在横梁11上，调整垂直于工作台1工作面；
2、低压涡轮叶片的固定和调整：低压涡轮叶片通过夹具组合件10进行固定，通过夹具上固定螺钉对叶片位置进行调整和固定，保证叶片叶冠面与工作台1平行；
3、焊枪和叶片焊接表面的调整焊接工艺参数的调整：完成1和2工作后，调整支架3和后支承板7，保证焊接的钨电极垂直指向低压涡轮叶片叶冠焊接面的中心，并对支架3后支承板7进行固定，然后调节焊接工艺参数，焊接参数见表1，
表1焊接工艺参数
2、结果与分析
2.1焊接距离
一般要求焊接距离在不影响焊接的情况下，距离应尽量减小，焊接距离过大会造成起弧难和断弧。低压涡轮叶片焊接方式见图1，由图可见焊接过程中，耐磨块是平放在叶冠台阶，电极固定不动，焊接时，耐磨块由于体积小，处于加热中心，首先被加热熔化，叶片体积大，由于金属热传导作用，基体表面与耐磨块到达熔点温度时间上有差异，首先被加热熔化的耐磨块加热成液体时，在表面张力的作用下会形成球形，耐磨块材料尺寸为4.5x5.2x1.5mm，当熔化形成球形时，不考虑固液密度的变化，根据球的体积公式V＝4πr3/3计算，此时球的直径为4.2mm，与电极的距离仅为0.3mm，所以很容易和焊接的电极粘接短路，焊接中断。当焊接距离小于3mm时，焊接时容易造成耐磨合金粘接电极短路，焊接中断，耐磨块焊接报废。所以实际的焊接时焊接距离应在3mm以上。所以焊接距离规定为3+0.5mm。
2.2焊接电流
2.2.1焊接电流对硬度的影响
使用粗晶材料进行焊接电流对硬度的影响，焊接后进行硬度检测，硬度见表2，焊接后，耐摩擦的硬度平均在HV650左右，硬度随电流的增大而硬度降低。随机选取了一个焊点(电流为140A)由表及里等步距(300um)地进行了显微硬度检查，检查结果见表3，整个焊接耐磨涂层的硬度较为均匀，而且对焊接对基体的组织基本不影响。硬度测试结果为500的位置(距离焊点表面1800um处)，正好处在焊点与基体材料的交界面上。
表2焊接电流对硬度的影响
表3由表及里等步距硬度检查结果(HV0.3)
2.2.2电流对组织的影响
将硬度检查中所用的金相试样直接腐蚀，原始K4208合金组织焊料边缘位置和中部位置的白色碳化物形貌以棒状、链状及岛状为主，交接位置的碳化物以块状为主，有明显铸造疏松组织，见图3；对两个位置的碳化物进行能谱成分分析，发现边缘和中部位置的碳化物Ti、Fe、Ni高于交接位置的碳化物，而W、Mo含量低于交接位置的碳化物。焊接后K4208耐摩擦基本无内部缺陷，消除了原始组织的疏松，碳化物更为细小且分散均匀，组织细小均匀的枝晶组织，焊接后典型K4208合金组织见图4。对不同电流焊点的中部和边缘进行能谱成分分析，各区域的成分相近，与基体组织成分相似。
电流低压100A时，焊接面的对含表面的污染较为敏感，容易产生耐磨层与基体未融合现象，见图5；各参数焊点均有不同程度的晶界粗化及开裂现象，对电流参数在120A以下的焊点，裂纹在焊点上的延伸较小。电流超过140A时，基体熔蚀深度较大，晶界粗化及开裂现象较为明显，见图6、图7。焊接电流不同，对焊点的基体溶蚀深度也略有不同，趋势上小电流、短通电时间的参数基体溶蚀深度浅，但熔滴流动性相对较差(焊点呈球形)；在相同焊接时间为10s下，焊接电流对融合深度见表4。
综合考虑焊接K4208合金抗耐磨性能和对基体的影响，焊接电流在100-140A为宜。
表4焊接电流对融合深度的影响
2.3焊接时间
焊接时间少于5s时间，K4208合金耐磨块焊接时容易出现融合不完整，焊接时间在7-13S为宜。在相同的工艺参数下，电流小于100A时，多次焊接对K4208耐磨合金的硬度影响较小，焊接时间的加长，融合深度增加，增加对基体晶界粗化的影响。在电流高于140A时，焊接时间延长，焊接K4208耐磨合金的硬度出现降低的趋势，焊接时间增加到30s时，焊接后的硬度平均下降为HV50，同时对基体晶界粗化的影响增大，易出现晶间裂纹。因此，焊接时间在7～13s为宜。
2.4焊接工艺
通过对脉冲宽流量焊接试验，综合焊接K4208耐磨块硬度、组织形态和对焊接基材的影响，其焊接工艺参数为见表5。在推荐的工艺参数下，对比焊接K4208耐磨合金和俄制的ВЖЛ2-ВИ耐磨合金，其组织形态、硬度相近，对基体的影响相似。因此可以认为制定的工艺参数可以用于K4208耐磨合金替代俄制耐磨合金ВЖЛ2-ВИ进行修理成为可能。
表5焊接工艺参数
3、结论
(1)采用脉冲宽流量焊接K4208耐磨块均匀的枝晶组织，融合区区小于0.5mm硬度在HV600以上，采用为工艺焊接耐磨层有利于去除和重新修理。
(2)采用脉冲宽流量焊接K4208耐磨层性能与俄制的ВЖЛ2-ВИ耐磨合金相近，可用采用脉冲宽流量焊接K4208合金替代ВЖЛ2-ВИ耐磨合金用于修理低压涡轮叶片叶冠的修理。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.K4208合金在低压涡轮转子叶片叶冠耐磨合金焊接方面的应用。
2.K4208合金在RD-93发动机低压涡轮叶片叶冠焊接方面的应用。
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