CN108165978A - 一种采用超高速激光熔覆技术修复核电海水泵轴的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴类部件表面修复的方法，具体涉及一种使用超高速率激光熔覆技术修复核电海水泵轴表面的方法。本发明通过选择合适的金属粉末、调整粉末汇聚点和激光焦点的位置、调节工艺参数等方法，可快速精确地在受损核电海水泵轴表面制备表面平整度好、厚度小、无缺陷的耐腐蚀耐磨涂层，修复受损的部位，实现了超高速率激光熔覆，达到节约生产成本、提高耐蚀耐磨性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴类部件表面修复的方法方法，具体涉及一种使用超高速率激光熔覆修复核电海水泵轴的方法，属于表面修复技术领域。
背景技术
核电海水泵轴是核电站重要厂用水系统的组成部分，其功能是在机组各种运行工况下为核电站提供冷却用水，由于节约成本的需要，常选用海水作为冷却水介质。海水中大量的Na、Mg、K、Cl等离子，经常导致核电海水泵轴在服役过程中的发生严重腐蚀，需要进行更换以保证泵的安全运行。实际检修过程中，技术人员发现大概有50%的概率会发生海水泵泵轴腐蚀现象。如果受损的海水泵轴全部报废，无形中增加了核电站的维护成本，同时也会带来巨大的资源浪费。
激光熔覆技术是基于激光能量集中、能量密度分布均匀的特点，在热输入量很小的条件下在基体表面形成均匀致密的金属涂层，涂层与基体为冶金结合状态，从而显著改善机体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气性能，实现受损部位表面改性或修复的目的。与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点。但传统的激光熔覆速率较低，且熔覆后涂层粗糙度较大，还需要如车削等机械加工保证部件尺寸精确度，因此生产效率低下。同时为了更快的制备大面积涂层，传统的激光熔覆方法使用提高激光功率和增加光斑面积的方法，但过高的功率会提高核电海水泵轴的温度梯度，导致在加工后发生变形。
发明内容
本发明针对传统激光熔覆方法熔覆速率低、熔覆后涂层表面平整度低的问题，采用同轴送粉式激光熔覆方式，通过精确控制粉末汇聚点(粉斑)和激光焦点（光斑）的位置，实现超高速率激光熔覆，并保证熔覆后涂层表面平整度。需要说明的是，本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的，该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于20m/min。
本发明提供了一种核电海水泵轴的激光修复工艺，该方法的步骤是：
（1）对合金粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～50μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度120～150℃、保温时间1.5～3.5h的烘干处理后真空封存，备用。
（2）对核电海水泵轴表面的待修复区进行打磨、清洁等预处理，并进行失效分析，确定待修复尺寸和深度；
（3）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，核电海水泵轴表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1600W，送粉速率为5～25g/min；
（4）将待修复的核电海水泵轴基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑和粉斑相对核电海水泵轴基体待修复面上方的位置，使得激光大部分能量作用在基体上方的合金粉末上。优选地，例如要求光斑与粉斑重合，距待修复面0.5～2mm；
（5）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所述的工艺将步骤（1）所得的合金粉末根据待修复尺寸和深度熔覆到泵轴基体表面，得到厚度为0.15～0.45mm的涂层。此时熔覆后的泵轴待修复区域直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（6）保持泵轴旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1500W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（7）采用磨床对涂层进行磨削加工，使涂层厚度及表面粗糙度达到相应的要求。
本发明相对于传统激光熔覆方法的优势在于：修复速率高，可以显著提高生产效率；同时由于较大的搭接率，经过激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，进一步提高生产效率并可以降低生产成本；传统激光熔覆的大部分能量被基体吸收而高速率激光熔覆的能量大部分被金属粉末吸收，因此稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，同时核电海水泵轴基体温度梯度更小，变形量更小，节省了核电站的维护成本，避免了资源浪费。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供了一种用于修复核电海水泵轴的方法，其中，在核电海水泵轴受损部位激光熔覆耐磨耐蚀涂层，该方法的步骤包括：
（1）对合金粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）对核电海水泵轴表面的待修复区进行打磨、清洁等预处理，并进行失效分析，确定待修复尺寸和深度；
（3）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1600W，送粉速率为5～25g/min；
（4）将待修复的核电海水泵轴基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（合金粉末汇聚点）相对于泵轴基体待修复区域上方的位置，使得激光大部分能量作用在基体上方的合金粉末上；
（5）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所述的工艺将步骤（1）所得的合金粉末根据待修复尺寸和深度熔覆到核电海水泵轴基体待修复区域，得到一定厚度的涂层；此时熔覆后的泵轴待修复区域直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（6）保持立柱旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1400W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（7）采用磨床对涂层进行磨削加工，使涂层厚度及表面粗糙度达到相应的要求。
优选的，所述步骤（1）中，所述合金粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%。
优选的，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的，所述步骤（4）中，所述光斑和粉斑相对于核电海水泵轴基体待修复面的位置要求光斑与粉斑在高于待修复面0.5～2mm的位置重合。
本发明相对于传统激光熔覆方法的优势在于：修复速率高，可以显著提高生产效率；同时由于较大的搭接率，经过激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度，进一步提高生产效率并可以降低生产成本；传统激光熔覆的大部分能量被基体吸收而高速率激光熔覆的能量大部分被金属粉末吸收，因此稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，同时核电海水泵轴基体温度梯度更小，变形量更小，节省了核电站的维护成本，避免了资源浪费。
实施例2
本实施例提供了一种修复核电海水泵轴的方法。该方法的步骤优选包括：
（1）对316L粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）对核电海水泵轴表面的待修复区进行打磨、清洁等预处理，并进行失效分析，确定待修复尺寸和深度；
（3）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～75m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为1000～1600W，送粉速率为5～25g/min；
（4）将待修复的核电海水泵轴基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（316L粉末汇聚点）相对于核电海水泵轴基体待修复面的上方的位置，使得激光大部分能量作用在待修复面上方的316L粉末上；
（5）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所述的工艺将步骤（1）所得的316L粉末熔覆到核电海水泵轴基体表面，得到厚度为0.10～0.45mm的涂层；此时熔覆后的待修复区域直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（6）保持泵轴旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1500W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（7）采用磨床对涂层进行磨削加工，使涂层厚度及表面粗糙度达到相应的要求。
优选的，所述步骤（1）中，所述316L粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%的粉末。
优选的，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的，所述步骤（4）中，所述光斑和粉斑相对于核电海水泵轴基体待修复面的位置要求光斑与粉斑在高于待修复面0.5～2mm的位置重合。
可以理解的是，本实施例中激光的少部分能量作用在基体表面形成较浅的熔池，激光大部分能量例如80%以上作用在基体上方的316L粉末上；316L粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化，以液滴的形式与基体结合。与传统工艺相比，本发明的316L粉末稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，并因此可以获得超高速的熔覆速率。
实施例3
本实施例提供了一种用于修复核电海水泵轴的方法，包括以下工艺步骤：对核电海水泵轴表面的待修复区进行打磨、清洁等预处理，并进行失效分析，确定待修复尺寸和深度，然后用同轴送粉的超高速率激光熔覆方法在待修复区域熔覆Shield T-800钴基涂层，再使用激光重熔方法熔化涂层表面未完全熔化的粉末保证涂层表面粗糙度，最后磨削至规定尺寸和精度。其具体工艺步骤为：
（1）对钴基粉末筛分及净化处理，获得粒度范围为15～45μm、球形度大于90%的粉末，然后经过保温温度130℃、保温时间2h的烘干处理后真空封存，备用；
（2）对核电海水泵轴表面的待修复区进行打磨、清洁等预处理，并进行失效分析，确定待修复尺寸和深度；
（3）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1.0mm，立柱表面线速度即熔覆速率为50m/min，每转进给量0.25mm，激光功率为1300W，送粉速率为20g/min；
（4）将待修复的核电海水泵轴基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑和粉斑相对泵轴基体待修复面的位置：使光斑与粉斑在高于待修复面1mm的位置重合；
（5）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所述的工艺将步骤（1）所得的钴基粉末熔覆到核电海水泵轴待修复表面，得到厚度为0.10～0.45mm的涂层；此时熔覆后的待修复区域直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（6）不送粉，对熔覆涂层表面进行激光重熔，保持核电海水泵轴旋转线速度50m/min、每转进给量0.25mm和激光焦点位置不变，将激光功率降低至1050W对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（7）采用磨床对涂层进行磨削加工，使涂层厚度及表面粗糙度达到相应的要求。
本发明采用超高速率激光熔覆技术修复核电海水泵轴基体上的腐蚀位置，其涂层未出现气孔、裂纹等缺陷，且制备精度高加工余量小，简化制造工艺流程，大大节省了核电站的维护成本。
Claims (4)
1.一种用于修复核电海水泵轴的方法，其特征在于在核电海水泵轴受损部位激光熔覆耐磨耐蚀涂层，该方法的步骤包括：
（1）对合金粉末筛分及净化处理，获得符合要求的粉末后，然后经过烘干处理后真空封存，备用；
（2）对核电海水泵轴表面的待修复区进行打磨、清洁等预处理，并进行失效分析，确定待修复尺寸和深度；
（3）设定超高速率激光熔覆的工艺参数，具体工艺是：光斑直径为1～3mm，立柱表面线速度即熔覆速率为20～100m/min，每转进给量0.2～0.4mm，激光功率为900～1600W，送粉速率为5～25g/min；
（4）将待修复的核电海水泵轴基体装夹在数控设备的回转机构上，并调整光斑（激光焦点）和粉斑（合金粉末汇聚点）相对于泵轴基体待修复区域上方的位置，使得激光大部分能量作用在基体上方的合金粉末上；
（5）采用同轴送粉超高速激光熔覆方法，使用步骤（3）所述的工艺将步骤（1）所得的合金粉末根据待修复尺寸和深度熔覆到核电海水泵轴基体待修复区域，得到一定厚度的涂层；此时熔覆后的泵轴待修复区域直径大于成品直径0.1～0.3mm；
（6）保持立柱旋转线速度、每转进给量和激光焦点位置不变，将激光功率降低至800～1400W，在不送粉条件下对熔覆涂层进行激光重熔，得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层；
（7）采用磨床对涂层进行磨削加工，使涂层厚度及表面粗糙度达到相应的要求。
2.根据权利要求1所述的一种用于修复核电海水泵轴的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述合金粉末要求是粒度范围为15～50μm、球形度大于90%。
3.根据权利要求1所述的一种用于修复核电海水泵轴的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述烘干处理的工艺是将粉末在120～150℃范围内保温1.5～3.5h后并随炉冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的一种用于修复核电海水泵轴的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述光斑和粉斑相对于核电海水泵轴基体待修复面的位置要求光斑与粉斑在高于待修复面0.5～2mm的位置重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180615 |