CN1075757A - 提高零件耐水蚀(耐气蚀)的激光熔覆技术 - Google Patents

Abstract

一种提高零件抗水蚀(耐气蚀)的激光熔覆方法， 它由钴基合金粉放置于零件上，用大功率激光光束辐 照和起保护作用惰性气体通入熔池，在激光辐照下使 零件基体表面薄层熔化，两者冷却而成一具有很好抗 裂、抗蚀性的熔覆层，本方法特点是：1)激光束的变速 扫描、和多道搭接结合，2)合金粉为以钴基和镍、铬等 组合物，3)熔覆后采取回火、喷丸等热处理，4)熔覆层 形状与零件形状吻合一致。用本法处理零件组织细 致、均匀，内应力小，抗裂、抗蚀性好，寿命长。

Description

本发明属于材料表面强化处理技术领域，尤其涉及以提高零件表面耐水蚀（耐气蚀）性能的激光表面强化技术。

水蚀（或气蚀，以下简称水蚀）是造成许多零件失效的重要原因，例如汽轮机上的叶片、水轮机上的叶片、航空发动机上的阀片等都存在提高抗水蚀性能的问题，现常用的工艺方法有高频淬火、激光淬火、电火花强化及表面化学热处理等表面强化处理方法，也有通过喷镀或焊接等在零件表面覆盖一层合金层的表面强化处理方法，例如表面钎焊一层司太立合金片就是一例，但这些现有技术均因或强化层浅、或基体热影响区大而零件的腐蚀疲劳强度低、或由于钎焊的司太立合金片与基体间存在间隙而易受蚀、或因操作困难质量不易稳定、生产效率低、成本高而均不理想。

本发明的目的在于创造一种用激光熔覆的方法在零件表面熔覆一层耐水蚀合金层、且价格便宜、生产效率高、熔覆层与基体吻合好、结合很好的方法。

本发明由于采用在零件表面用大功率激光熔化钴基合金的办法、程序控制使零件的运动轨迹与零件欲保护部位几何型线完全吻合的办法和多道搭接、变速扫描的办法及回火、喷丸的处理，使零件表面熔覆一层与零件欲保护部位几何形状完合相吻合的钴基合金层，故它与被处理的零件基体之间无间隙，抗水蚀能力好，且钴基合金内加有镍、铬、钨等合金，所以抗蚀性、抗裂性特别好，且因多道搭接和变速扫描使整个零件的熔覆区温度均匀，所以合金层整个组织均匀，加之回火等的处理则使熔覆区的热应力就更小。因而由这种方法在零件表面形成熔覆层，既可克服已有技术的存在缺陷，又可使零件的抗蚀性、抗裂性好，生产率高，使用寿命长。

本发明的方法为：

在零件欲保护位的表面放置抗水蚀、抗裂性强的钴基合金粉末，采用大功率激光束辐照合金粉末、并透过合金粉末辐照基材表面薄层，两者熔化结合而为一体，与激光辐射开始同时，在熔化池区用氩气或氮气等惰性气体保护，其特征在于：

1.钴基合金粉末的成份为：

C    0.8～1.0%，Cr    22～30%，Ni    7～15%，W    3～8%，微量稀土，钴    46～67%

2.采用程序控制零件的运动轨迹和速度，使零件的运动轨迹准确地与零件欲保护部位几何型线完全吻合，且各部分温度均匀;

3.对熔覆宽度大于激光束宽度的零件，采用多道搭接，变速扫描的办法，其中始道扫描速度最慢，并随道增加，道间搭接率为30～50%;

4.熔覆合金层完毕后，将零件放置于热处理炉内进行回火处理，而后再喷丸。

上述钴基合金粉中的Co和Cr主要提高零件的抗蚀性，Ni用于提高零件的抗裂性，而适量稀土则既可提高抗裂性又可提高抗蚀性。此外本工艺中道间搭接率30～50%、变速扫描、回火等措施均为了使另件各部分温度均匀，热内应力小，从而使熔覆合金层分布均匀，组织细密，性能好，零件抗水蚀能力强，寿命长。

上述工艺过程中合金粉的设置可用粘结剂预置;也可用同步送粉装置（已申请专利）送粉，在此情况下，目前送粉装置由程序控制装置统一控制，合金粉在重力作用下通过输粉导管及喷咀流入熔池。

下面由附图和实施例来说明本方法制得的产品。

附图说明：

图1为汽轮机末级叶片激光熔覆设备示意图。

图2为汽轮机末级叶片的示意图。

图3为叶片进气边激光熔覆后示意图。

图中标注为：1.送粉装置，2.输合金粉导管，3.激光束，4.步进电机，5.分度头，6.三爪夹盘，7.胎具，8.末级叶片，9.顶尖座，10.激光束作用区，11.精密机床（两维），21.进气边，22.欲保护部位，31.叶片，32.熔覆合金层。

1.实施例1：

汽道长度L＝665mm的带有抗水蚀熔覆层的汽轮机末级叶片，该叶片由2Cr13钢制造，其熔覆合金层长260mm、宽14mm、厚1mm，合金层的组成为C    0.82%、Cr    22.2%、Ni    12.8%、W    8.2%、Si    4.8%、Fe    5.4%微量稀土，其余为Co，合金层的粉末粒度为180～280目，其熔覆层为四道激光道，道间搭接率为50%。

该产品的具体制作工艺为：

1）将叶片予热，在250℃～300℃予热2小时。

2）将零件安装于胎具7上，胎具7通过胎柄夹持在分度头5的三爪夹盘6上，另一端用顶针9固定。

3）用微机控制步进电机4及机床11上，步进电机使胎具带动工件转动，与此同时使送粉装置送粉，激光辐照工件，熔池中通入惰性气体进行熔覆，其工艺参数为：

道号	激光功率（KW)	光斑直径(mm)	送粉率(g/min)	扫描速度(mm/s)	搭接率(%)
						Ⅰ	1.9	6	6.0	4.0	50
Ⅱ	2.0	6	6.0	5.0	50
						Ⅲ	2.0	6	6.0	5.0	50
Ⅴ	2.0	6	6.0	6.0	50

4）取下叶片放置于温度为640℃炉中回火，时间3小时，炉温冷至250℃时出炉。

5）喷丸处理。

实施例2：

用预置法添加粉末进行激光熔覆板材

在试样尺寸为250×32×10mm的2Cr13钢基材上欲获得宽约20mm，厚约2mm的激光熔覆合金层，可采用以下方法实施：采用粒度为180-200目的Co基自熔合金粉末，用5%聚乙稀醇水溶液作为粘结剂，将粉末与其混合均匀调成糊状，用薄片将其涂于试样上。为保证熔覆层厚度可用约2.2mm的胶木作为档板，用502胶粘于试块上，中间相隔距离为熔覆层宽度，（图3）试样预置好粉末后，经预热后置于两维座标的机床上，机床通过控制系统，可进行X、Y两维方向的运动。

其激光工艺参数为激光功率P＝2KW，光斑直径D＝6mm，激光照射扫描时，采用变速多道搭接，第一道扫描速度至第五道扫描速度分别为3.5mm/s、5.5mm/s、5.5mm/s、5.5mm/s，6.5mm/s，搭接率50%，采用氮气保护，激光熔覆后可获得以上要求的激光熔覆合金层，焊趾处包覆效果好，其基体的热影响区因试样尺寸小最大深度为约4.0mm，经高温回火后可以基本消除。

本发明所得的熔覆合金层，其耐蚀性比2Cr13钢基材或钎焊司太立合金片高16倍，耐蚀疲劳强度亦高约35%以上，且生产效率比已有技术大大提高，合金粉末消耗少，激光熔覆层组织致密均匀与基体结合良好不易脱落。所以抗蚀抗裂性好，使用寿命长，热影响区小并通过回火基本消除。本方法用于汽轮机叶片等复杂外形零件的熔覆时，因其采用程序控制，使激光熔覆层的形状能与零件保护部位的几何型线完全吻合，故而焊趾处包覆效果好，零件基体与包覆层间无间隙，参见图3，所以抗水蚀（气蚀）能力强。

Claims (4)

1、一种提高零件耐水蚀(耐气蚀)的激光熔覆方法，其主要工艺为：

在零件欲保护位的表面放置抗水蚀、抗裂性强的钴基合金粉末，采用大功率激光束辐照合金粉末、并透过合金粉末辐照基材表面薄层，两者熔化结合而为一体，与激光辐射开始同时，在熔化池区用氩气或氮气等惰性气体保护，其特征在于：

(1)钴基合金粉末的成份为：

C  0.8～1.0%，  Cr  22～30%，  Ni  7～15%，

W  3～8%，  微量稀土，  钴  46～67%

(2)采用程序控制零件的运动轨迹和速度，使零件的运动轨迹准确地与零件欲保护部位几何型线完全吻合，且各部分温度均匀；

(3)对熔覆宽度大于激光束宽度的零件，采用多道搭接，变速扫描的办法，其中始道扫描速度最慢，并随道增加，道间搭接率为30～50%；

(4)熔覆合金层完毕后，将零件放置于热处理炉内进行回火处理，而后再喷丸。

2、按权利要求1所述的提高零件耐水蚀（耐气蚀）的激光熔覆方法，其特征在于送粉用程序控制装置统一控制的同步送粉机来进行。

3、按权利要求1所述的一种汽道长度L＝665mm的汽轮机末级叶片的激光熔覆技术为：

1）将叶片予热，在250℃～300℃予热2小时;

2）将零件安装于胎具7上，胎具7通过胎柄夹持在分度头5的三爪夹盘6上，另一端用顶针9固定;

3）用微机控制步进电机4及机床11上，步进电机使胎具带动工件转动，与此同时使送粉装置送粉，激光辐照工件，熔池中通入惰性气体进行熔覆，其工艺参数为：

道号 激光功率（KW) 光斑直径(mm) 送粉率(g/min) 扫描速度(mm/s) 搭接率(%) Ⅰ 1.9 6 6.0 4.0 50 Ⅱ 2.0 6 6.0 5.0 50 Ⅲ 2.0 6 6.0 5.0 50 Ⅴ 2.0 6 6.0 6.0 50

4）取下叶片放置于温度为640℃炉中回火，时间3小时，炉温冷至250℃时出炉;

5）喷丸处理。

4、一种汽道长度L＝665mm的带有抗水蚀熔覆层的汽轮机末级叶片它由2Cr13钢制成，其熔覆合金层长260mm、宽14mm、厚1mm，合金层的组成为C  0.82%、Cr  22.2%、Ni  12.8%、W  8.2%、Si  4.8%、Fe  5.4%微量稀土，其余为Co，合金层的粉末粒度为180～280目，其熔覆层为四道激光道，道间搭接率为50%。

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