CN109207905B - 基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置 - Google Patents
基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109207905B CN109207905B CN201811010238.7A CN201811010238A CN109207905B CN 109207905 B CN109207905 B CN 109207905B CN 201811010238 A CN201811010238 A CN 201811010238A CN 109207905 B CN109207905 B CN 109207905B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- titanium alloy
- scanning
- alloy blade
- curved surface
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 42
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 title claims abstract description 31
- 238000005192 partition Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims abstract description 32
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 22
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 20
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 abstract description 29
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 15
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 13
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 12
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 abstract description 11
- 238000013439 planning Methods 0.000 abstract description 9
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 abstract description 8
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 238000013316 zoning Methods 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 229910001347 Stellite Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWKWDCOTNGQLID-UHFFFAOYSA-N [N].[Ar] Chemical compound [N].[Ar] PWKWDCOTNGQLID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OLBVUFHMDRJKTK-UHFFFAOYSA-N [N].[O] Chemical compound [N].[O] OLBVUFHMDRJKTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 1
- AHICWQREWHDHHF-UHFFFAOYSA-N chromium;cobalt;iron;manganese;methane;molybdenum;nickel;silicon;tungsten Chemical compound C.[Si].[Cr].[Mn].[Fe].[Co].[Ni].[Mo].[W] AHICWQREWHDHHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000306 component Substances 0.000 description 1
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 1
- 238000005536 corrosion prevention Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
- C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
- C23C8/24—Nitriding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
- C23C8/02—Pretreatment of the material to be coated
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置,本发明方法以激光为热源,扫描振镜控制激光的扫描路径以完成Ar气氛下的熔凝处理和Ar+N2气氛下的分区氮化处理,从而在钛合金叶片进气边背弧曲面上均匀制备防水蚀保护层,解决钛合金叶片水蚀问题;加工时,对叶片背弧曲面加工区域的分区规划,可以保证制备的防水蚀层与钛合金叶片进汽边背弧曲线相吻合;通过分区中激光路径的规划可以解决氮化过程中的应力集中问题,减少氮化层中裂纹的产生几率,提高制备涂层的质量;处理后的表面质量好,无需进行二次加工。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的方法及装置,适用于钛合金叶片表面强化,以提高钛合金叶片进汽边的抗水蚀能力。
(二)背景技术
汽轮机是目前我国电力工业应用最广泛的动力设备,是代表国家装备制造业水平的标志性产品,叶片是汽轮机的核心部件之一。采用抗腐蚀性好、比强度高和中温性能好的钛合金代替不锈钢制造汽轮机末级长叶片是国内外汽轮机制造的发展趋势。在汽轮机末级叶片中水蚀现象普遍存在,这是由于末级叶片的工作环境为湿度在9%~14%的湿蒸汽介质中,并且在较高转速下工作时,气流中大量的水滴会在高速离心力作用下冲蚀叶片,造成叶片的点蚀,使叶片失效。水蚀问题的存在不仅降低了汽轮机的热效率,而且极易在水蚀区域造成应力集中萌生裂纹,如不及时加以防护,叶片水蚀损伤扩展可能会导致叶片的断裂失效,造成机组效率降低,严重的情况下甚至会出现安全事故。因此,汽轮机末级叶片的防水蚀研究既迫切又非常有意义。
激光表面处理技术作为一种新的局部处理的方法,体现出较为明显的优越性。在进汽边的局部位置用激光产生一层新合金的方法具有可实现自动化控制,可按不同要求调节合金成分以及不存在结合面剥离问题等特点,可以替代目前的钎焊司太立合金片、热喷涂、堆焊等表面处理技术。TiN由于具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性、高耐磨性及优良的导热性能,因此采用激光气体氮化技术在钛及钛合金表面制备氮化层可以有效改善钛合金的耐水蚀性能,但是由于氮化层与基体材料在物理性能方面存在一定的差别,在高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用下,防护层中易产生极大地热应力,并产生裂纹。同时,还存在表面粗糙度大,工件易变形等问题。
再者,目前现阶段对激光氮化涂层的加工都集中在使用脉冲激光机和半导体激光,使用这两种激光器对平整表面的钛合金零件的激光氮化很合适,但对一些外表形状不规则的钛合金零件的氮化就显得比较复杂,如对钛合金叶片的氮化必须要使用配套的运动控制系统,并且要得到均匀的氮化层,运动控制系统响应要很快、运动精度要高。
(三)发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明提供了一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的工艺方法,其主要特点如下:以激光为热源,扫描振镜控制激光的扫描路径以完成Ar气氛下的熔凝处理和Ar+N2气氛下的分区氮化处理,从而在钛合金叶片进气边背弧曲面上均匀制备防水蚀保护层,解决钛合金叶片水蚀问题;加工时,对叶片背弧曲面加工区域的分区规划,可以保证制备的防水蚀层与钛合金叶片进汽边背弧曲线相吻合;通过分区中激光路径的规划可以解决氮化过程中的应力集中问题,减少氮化层中裂纹的产生几率,提高制备涂层的质量;处理后的表面质量好,无需进行二次加工。
本发明还提供了一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的装置,扫描振镜快速准确地控制激光在钛合金叶片进汽边背弧的待加工表面运动,提高了加工的效率和精度,解决了叶片复杂表面的激光氮化,设备结构简单、成本低、效率高、成型精度高。同时,气氛装置可以在加工过程提供稳定的气氛保护和N2反应源,减少氧化现象的发生。
本发明的技术方案如下:
一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法,所述方法包括如下步骤:
(1)对钛合金叶片进汽边背弧上需加工的曲面建立曲面坐标系,所述曲面坐标系的建立方法为:以叶片背弧需加工的曲面的最小长方体包围盒中与曲面片外表面相对的底面为X-Y基准平面,以该底面几何中心处的法线正方向为坐标系的Z轴正方向;
所述钛合金叶片例如为TC4钛合金叶片;
(2)将钛合金叶片进汽边背弧上需加工的曲面划分成若干个长条分区,每个分区与曲面坐标系Z轴近似垂直,并保证各长条分区的最大Z坐标差值小于经扫描振镜输出激光的焦深;
优选所述长条分区的宽度为1~5mm;
(3)对钛合金叶片进行表面清理,旋转叶片,使得步骤(1)中所建立的曲面坐标系Z轴正方向与机床Z轴正方向相重合,再将需加工的曲面送入气氛保护装置内;
(4)调节扫描振镜的位置,使得聚焦透镜镜面中心法线与曲面坐标系Z轴方向重合,并使得聚焦透镜镜面到曲面坐标系原点的距离为输出激光的焦距值和分区最大、最小Z坐标的平均值的和值;
所述输出激光的焦距为298mm。
(5)向气氛保护装置通入Ar气,当氧含量<0.1%时,对步骤(2)划分的每个长条分区进行激光熔凝处理,进而完成整个曲面的激光熔凝前处理步骤;
所述激光熔凝处理的条件为:光斑大小0.46mm、激光功率500~1000W、扫描速度500~2000mm/s、扫描间距0.08~0.12mm;相邻分区的扫描线呈45°~135°夹角,且相邻分区的搭接率为0~30%;
所述激光熔凝处理可以提高处理区域表面原子在氮化过程中的扩散系数,从而促进后续氮化反应的进行;同时该处理也能对叶片进行预热,减小氮化过程中产生裂纹的机率;
(6)步骤(5)熔凝处理完成后,向气氛保护装置通入氮气与氩气的混合气体,对经过激光熔凝处理的区域进行激光氮化处理,其中单个长条分区内激光采用往复扫描方式的扫描线填充,并且激光氮化处理与激光熔凝处理的扫描方向相互垂直,激光氮化处理完成后,即制得钛合金叶片防水蚀层;
所述氮气与氩气的混合气体中,氮气与氩气的流量比为0.5~1:1,混合气体的总流量为20~30L/min;
所述激光氮化处理的条件为:光斑大小0.46mm、激光功率500~3000W、扫描速度200~1000mm/s、扫描间距0.06~0.08mm;相邻分区的扫描线呈45°~135°夹角,且相邻分区的搭接率为0~30%;
所述单个长条分区内激光采用往复扫描方式的扫描线填充,能够增加加工过程中熔池的维持能力,提高氮化层的质量;所述激光氮化处理与激光熔凝处理的扫描方向相互垂直,相邻分区的扫描线同样呈一定夹角,能够有效降低涂层的残余应力值,改善涂层的残余应力分布,从而避免氮化层中裂纹的产生。
本发明还提供了一种适用于本发明所述方法的装置,所述装置包括:激光器、扫描振镜、气氛保护装置和三轴数控机床;所述激光器与扫描振镜连接,所述扫描振镜被固定安装在三轴数控机床上,以调节扫描振镜的位置和焦距;所述气氛保护装置主要由壳体、光学镜片、法兰盘、快速接头、氧/氮分析仪组成,所述法兰盘通过螺栓固定于壳体上表面,所述光学镜片设于法兰盘内,所述快速接头设于壳体一侧并指向壳体内加工区域,所述氧/氮分析仪与壳体连接用于监测壳体内气体组成比例。
进一步,所述激光器为光纤激光器。
进一步,所述装置还包括控制器,所述控制器用于控制扫描振镜,从而控制激光光束的扫描路径,同时还可控制激光器的功率调节。
进一步,所述光学镜片的透光率为99%。
本发明相比现有技术的突出优点是:
(1)半导体和脉冲激光在氮化过程中激光束的运动全部依赖数控机床或机械手来完成,因利用此类激光器在钛合金叶片进气边背弧上的表面制备氮化层时,起床频繁启动和机床的抖动会影响成型涂层的表面质量。而采用本发明的技术方案,复杂曲面氮化加工主要依靠振镜控制激光高速扫描动作完成,机床只需负责定位振镜的中心位置,加工效率提高,同时也保证了加工中激光的稳定性,成型涂层的精度提高。
(2)与传统激光气体氮化技术相比,本发明对钛合金叶片进汽边背弧需加工的复杂曲面建立坐标系并沿背弧曲线划分分区,同时利用振镜控制激光的路径对各个分区分别处理,可以实现整个曲面均匀氮化,避免了对于曲面氮化时所制备涂层的不均匀性问题。再者,规划特定的扫描策略去避免氮化过程中应力集中的问题,可以减少氮化层中裂纹的产生几率,提高成型氮化层的成型质量。
(3)气氛保护装置下的氮化相比于传统激光气体氮化技术中直接喷吹Ar+N2混合气体到加工表面,可以增加加工时熔池的稳定性,提高成型防水蚀层的表面质量,因此处理后无需在进行二次加工。同时,半密封的环境下氮化加工可以有效控制氧化现象的发生。
(四)附图说明
图1为本发明分区扫描氮化策略示意图;
图2为本发明基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的装置示意图;
1-扫描振镜,2-法兰盘,3-氧/氮分析仪,4-螺栓,5-光学镜片,6-垫圈,7-壳体,8-快速接头,9-三维机床,10-激光器。
(五)具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
(1)分区规划:本发明实施例为钛合金(TC4)叶片,对钛合金叶片进气边背弧需加工的曲面划分成若干个分区,每个分区与曲面坐标系Z轴近似垂直,保证各分区的最大Z坐标差值小于经扫描振镜输出激光的焦深。激光焦距为298mm,选择分区搭接10%,相邻分区夹角为90°。
(2)清洗处理:整个叶片经乙醇清洗后烘干,烘干处理后将叶片需要加工的部分送入气氛保护装置中保证需加工曲面的曲面坐标系Z轴正方向与机床Z轴正方向相重合,
(3)熔凝处理:移动机床,将扫描振镜定位到加工区域,使得聚焦透镜镜面中心法线与曲面坐标系Z轴方向重合,并使得聚焦透镜镜面到曲面坐标系原点的距离为输出激光的焦距值和分区最大、最小Z坐标的平均值的和值。通入Ar气,观察氧氮分析仪上的示数,当氧含量下降到0.1%时,对钛合金叶片进汽边背弧进行熔凝预处理。对每个分区进行熔凝处理加工,从而完成整个需加工曲面的熔凝处理。熔凝处理时激光工艺参数为:光斑尺寸中0.46mm,功率500W,扫描速度500mm/s,氩气流量为30L/min。
(4)氮化处理:通入N2+Ar气,观察氧/氮分析仪上的数值。当氮气含量达到预定值时,对经过熔凝处理后的区域进行氮化。其中单个分区内激光采用往复扫描,同时保证氮化时与熔凝时的扫描方向相互垂直,相邻两分区的扫描线呈90°夹角。氮化处理时激光工艺参数为:光斑尺寸中0.46mm,功率1000W,扫描速度500mm/s,气体总流量为30L/min,氮气与氩气的流量比为1:1。获得1号试样。
防水蚀保护层与钛合金叶片背弧曲线吻合,涂层表面质量良好,无裂纹气孔,表面硬度较基体提高3倍,同时硬度提高60HV的深度达1.2-1.5mm。
实施例2
分区规划、清洗处理、熔凝处理、氮化处理步骤如同实施例1。选择分区搭接10%,分区夹角为90°。熔凝处理时激光工艺参数为:光斑尺寸中0.46mm,功率1000W,扫描速度1000mm/s,氩气流量为30L/min。氮化处理时激光工艺参数为:光斑尺寸中0.46mm,功率3000W,扫描速度1000mm/s,气体总流量为30L/min,氮气与氩气的流量比为0.5:1。获得2号试样。
防水蚀保护层与钛合金叶片背弧曲线吻合,涂层表面质量良好,无裂纹气孔,表面硬度较基体提高提高2.5倍,同时硬度提高60HV的深度达1.4-1.7mm。
实施例3
分区规划、清洗处理、氮化处理步骤如同实施例1,无熔凝处理。选择分区搭接0%,分区夹角为45°。氮化处理时激光工艺参数为:光斑尺寸中0.46mm,功率1000W,扫描速度500mm/s,气体总流量为30L/min,氮气与氩气的流量比为1:1。获得3号试样。
防水蚀保护层与钛合金叶片背弧曲线吻合,涂层表面质量良好,无裂纹气孔,表面硬度较基体提高2倍,同时硬度提高60HV的深度达0.7-1mm。
本发明通过分区规划可以获得与钛合金叶片进气边背弧曲线吻合的防水蚀层,有效控制涂层应力分布,提高成型质量。本发明所得到防水蚀保护层分为氮化物层、氮扩散层、熔凝层和热影响区。防水蚀保护层与钛合金叶片曲线吻合,涂层无气孔、裂纹等缺陷,表面质量良好。经过显微硬度仪检测,处理后得到的防水蚀层的表面硬度最高,较基体提高3倍。熔凝区的硬度其次,硬度提高60~90HV,热影响区的硬度也较基体有所提高。同时也可见本发明将激光熔凝作为前处理可以有效提高防水蚀层表面硬度以及硬度提高深度。
经过水蚀试验得出,本发明所制备的防水蚀层具有良好的抗水蚀作用,处理后的工件能较未处理的提高约4-8倍。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (4)
1.一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)对钛合金叶片进汽边背弧上需加工的曲面建立曲面坐标系,所述曲面坐标系的建立方法为:以叶片背弧需加工的曲面的最小长方体包围盒中与曲面片外表面相对的底面为X-Y基准平面,以该底面几何中心处的法线正方向为坐标系的Z轴正方向;
(2)将钛合金叶片进汽边背弧上需加工的曲面划分成若干个长条分区,每个分区与曲面坐标系Z轴近似垂直,并保证各长条分区的最大Z坐标差值小于经扫描振镜输出激光的焦深;
(3)对钛合金叶片进行表面清理,旋转叶片,使得步骤(1)中所建立的曲面坐标系Z轴正方向与机床Z轴正方向相重合,再将需加工的曲面送入气氛保护装置内;
(4)调节扫描振镜的位置,使得聚焦透镜镜面中心法线与曲面坐标系Z轴方向重合,并使得聚焦透镜镜面到曲面坐标系原点的距离为输出激光的焦距值和分区最大、最小Z坐标的平均值的和值;
所述输出激光的焦距为298mm,
(5)向气氛保护装置通入Ar气,当氧含量<0.1%时,对步骤(2)划分的每个长条分区进行激光熔凝处理,进而完成整个曲面的激光熔凝前处理步骤;
所述激光熔凝处理的条件为:光斑大小0.46mm、激光功率500~1000W、扫描速度500~2000mm/s、扫描间距0.08~0.12mm;相邻分区的扫描线呈45°~135°夹角,且相邻分区的搭接率为0~30%;
(6)步骤(5)熔凝处理完成后,向气氛保护装置通入氮气与氩气的混合气体,对经过激光熔凝处理的区域进行激光氮化处理,其中单个长条分区内激光采用往复扫描方式的扫描线填充,并且激光氮化处理与激光熔凝处理的扫描方向相互垂直,激光氮化处理完成后,即制得钛合金叶片防水蚀层;
所述氮气与氩气的混合气体中,氮气与氩气的流量比为0.5~1:1,混合气体的总流量为20~30L/min;
所述激光氮化处理的条件为:光斑大小0.46mm、激光功率500~3000W、扫描速度200~1000mm/s、扫描间距0.06~0.08mm;相邻分区的扫描线呈45°~135°夹角,且相邻分区的搭接率为0~30%。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述钛合金叶片为TC4钛合金叶片。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述长条分区的宽度为1~5mm。
4.一种用于如权利要求1所述方法的装置,所述装置包括:激光器、扫描振镜、气氛保护装置和三轴数控机床;所述激光器与扫描振镜连接,所述扫描振镜被固定安装在三轴数控机床上,以调节扫描振镜的位置和焦距;所述气氛保护装置主要由壳体、光学镜片、法兰盘、快速接头、氧/氮分析仪组成,所述法兰盘通过螺栓固定于壳体上表面,所述光学镜片设于法兰盘内,所述快速接头设于壳体一侧并指向壳体内加工区域,所述氧/氮分析仪与壳体连接用于监测壳体内气体组成比例。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811010238.7A CN109207905B (zh) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | 基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201811010238.7A CN109207905B (zh) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | 基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN109207905A CN109207905A (zh) | 2019-01-15 |
CN109207905B true CN109207905B (zh) | 2020-07-28 |
Family
ID=64985860
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201811010238.7A Active CN109207905B (zh) | 2018-08-31 | 2018-08-31 | 基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN109207905B (zh) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110983326A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-04-10 | 浙江工业大学 | 一种基于扫描振镜的汽轮机叶片激光分区合金化方法 |
CN110904404B (zh) * | 2019-12-25 | 2023-07-11 | 浙江工业大学 | 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置 |
CN112318216B (zh) * | 2020-11-05 | 2021-10-15 | 浙江工业大学 | 一种基于振镜的激光维持等离子体抛光钛合金的方法 |
CN112522663A (zh) * | 2020-11-05 | 2021-03-19 | 浙江工业大学 | 一种基于扫描振镜的钛合金表面织构化同步氮化处理的工艺方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102151984A (zh) * | 2011-03-01 | 2011-08-17 | 华中科技大学 | 一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置 |
CN104372167A (zh) * | 2014-10-11 | 2015-02-25 | 江苏大学 | 一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法 |
CN105568213A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-05-11 | 中原工学院 | 一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺 |
CN107475662A (zh) * | 2017-07-19 | 2017-12-15 | 广西大学 | 一种钛合金表面低激光功率制备TiN梯度涂层的方法 |
-
2018
- 2018-08-31 CN CN201811010238.7A patent/CN109207905B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102151984A (zh) * | 2011-03-01 | 2011-08-17 | 华中科技大学 | 一种适用于复杂曲面的激光加工方法及装置 |
CN104372167A (zh) * | 2014-10-11 | 2015-02-25 | 江苏大学 | 一种基于投影灰度的复杂曲面激光冲击均匀强化方法 |
CN105568213A (zh) * | 2016-01-13 | 2016-05-11 | 中原工学院 | 一种钛合金叶片的结构化防水蚀层的制备工艺 |
CN107475662A (zh) * | 2017-07-19 | 2017-12-15 | 广西大学 | 一种钛合金表面低激光功率制备TiN梯度涂层的方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
激光预处理对氮化层组织和性能的影响;张凌峰等;《冶金丛刊》;20050420(第02期);12页最后一句,13页右栏第2段 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN109207905A (zh) | 2019-01-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109207905B (zh) | 基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置 | |
CN110144583B (zh) | 一种宽光束、可调送粉角的快速高效半导体激光熔覆装置 | |
CN103451650A (zh) | 一种大型旋转机械轴瓦激光快速修复工艺方法 | |
CN109366256B (zh) | 一种基于激光与等离子体的复合抛光方法 | |
CN109014518B (zh) | 一种火车车轮模座焊接装置及修复工艺 | |
CN114749806B (zh) | 一种在带热障涂层涡轮叶片上制备冷却膜孔的方法 | |
CN108265287A (zh) | 一种修复液压支架立柱的方法 | |
CN113832459B (zh) | 一种合金钢冲头玻璃模具激光熔覆镍基碳化钨合金粉工艺 | |
CN108620809B (zh) | 1000mw发电机组汽轮机转子汽封轴颈在线修复方法 | |
CN105154876A (zh) | 废旧铸钢走轮再制造方法 | |
KR20150052291A (ko) | 터보기계 구성요소 수리 방법 | |
CN108165979A (zh) | 一种用于制造液压支架立柱的超高速率激光熔覆方法 | |
CN109487265A (zh) | 一种大型旋转机械轴瓦激光快速修复工艺方法 | |
CN109295453A (zh) | 一种钢表面制备氮化钛涂层的方法 | |
CN103014249B (zh) | 一种大幅度提高RuT300表面硬度的激光熔凝淬火工艺 | |
CN110904404B (zh) | 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的工艺方法与装置 | |
JP2010203258A (ja) | 動翼の補修方法 | |
CN112404455A (zh) | 一种钛合金表面氮化层的激光修复方法 | |
CN110468409A (zh) | 一种针对壳体内孔表面腐蚀的激光复合修复方法 | |
CN106868499B (zh) | 一种孔型热轧辊的再制造方法 | |
CN105420725A (zh) | 一种强化锅炉管的制备方法 | |
WO2022222590A1 (zh) | 一种增材制造工艺、增材层、增材后的产品及复合激光器 | |
CN115570271A (zh) | 一种基于高重频飞秒激光倾斜抛光碳化硅陶瓷的方法 | |
CN211311566U (zh) | 基于钛合金表面激光氮化和喷丸同步复合技术的装置 | |
Zhu et al. | Study on optimization of BP-GA method applied to shaft laser cladding repairing technology |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |