CN110158083B

CN110158083B - 一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末及方法

Info

Publication number: CN110158083B
Application number: CN201910556490.6A
Authority: CN
Inventors: 畅庚榕; 刘明霞; 谢燕翔; 郭岩; 付福兴; 徐可为
Original assignee: Xian Unversity of Arts and Science
Current assignee: Wenling Estate New Material Technology Co ltd
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2021-08-10
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: CN110158083A

Abstract

本发明公开了一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末及方法，开发了一种适用于提高基体抗冲蚀和抗气蚀性能的激光熔覆用合金粉末及相应的高速激光熔覆工艺。包括质量百分比的原料：Co、镍包WC、Cr、Ti等成分。该方法中，采用Co、Cr、Ti元素提高熔覆层与基体的润湿性，提高与基体的冶金结合强度，降低在冲蚀和气蚀过程中的开裂敏感性，提升熔覆层的抗氧化性能；通过调整合金粉末粒度、比例及激光参数，合理控制温度场，使稀释率降低，降低界面处的热应力；相较于基体，抗冲蚀性能提高3～4倍，抗气蚀性能提高2～3倍。

Description

一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末及方法

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，特别涉及一种离心压缩机叶片、叶轮及主轴表面强化用高速激光熔覆工艺及合金粉末，属于表面工程应用技术工程领域。

背景技术

叶片、叶轮及主轴是离心压缩机的关键部件，用于装配叶轮、平衡盘、推力盘等，是转子的中心部位。在服役期间处于高速运转状态，服役环境极端恶劣，往往会造成表面冲蚀和气蚀，是叶片、叶轮及主轴发生失效的主要形式。提高其表面的抗冲蚀和抗气蚀性能是表面工程领域一项非常重要的创造性工作，也是节约资源、保护环境、满足当前社会可持续发展的战略需求所在。

冶金和石化等领域中离心压缩机主要零部件均承受Al₂O₃、SiO₂等固体颗粒的冲刷和强腐蚀环境(CO₂，H₂S，SO₂，Cl^-，水汽、盐雾等)的联合作用，腐蚀和磨损条件十分苛刻。目前为了满足此种工况条件，采用了高温离子氮化、热喷涂、激光熔覆等传统表面处理技术进行防护，性能有所提升，但仍不能满足恶劣服役环境对性能要求，尤其是抗气蚀性能。

以离心压缩机主轴为例，0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢基材上多采用常规激光熔覆或者热喷涂方法进行表面强化，并采用Co基和Ni基合金作为激光熔覆层材料。在表面强化技术上，相较于热喷涂技术，激光熔覆具有明显优于热喷涂的冶金结合强度，但是形成表面粗糙，且热应力过大导致涂层存在细小裂纹。在使用过程中，往往会引起应力腐蚀，不能达到理想的性能。而高速激光熔覆方法则结合了激光熔覆和热喷涂的优点，克服了自身的不足，使涂层的性能进一步接近理论值。

基于此，设计并开发出适用于提升离心压缩机叶片、叶轮及主轴的抗冲蚀和抗气蚀性能的高速激光熔覆工艺和钴基合金粉末具有重大的意义。

发明内容

本发明针对离心压缩机叶片、叶轮及主轴在极端冲刷腐蚀工况介质服役条件下，提供一种高速激光熔覆表面强化用合金粉末及方法。该方法利用CoCrTi(WC)合金粉末改变了叶片、叶轮及主轴材料表面的微结构，使熔覆层具有良好的抗冲蚀和抗气蚀性能。在保证熔覆层具有合适的强度和硬度的同时，有效提高了合金层的抗冲蚀和抗气蚀性能，为离心压缩机的叶片、叶轮及主轴高速激光表面强化提供了一种优异的表面强化技术和熔覆粉末。

为达到上述目的，根据本发明的实施例提供的一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末，包括下述质量分数的原料：

Co12.0～15％；镍包WC合金粉末74.0～80.0％；Cr4～6％；Ti4～5％。

本发明进而提供了一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末的激光熔覆方法，包括下述步骤：

1)基体熔覆前预处理：选取0Cr17Ni4Cu4Nb型不锈钢为基体，进行除锈、超声去油，并砂纸打磨至0Cr17Ni4Cu4Nb型不锈钢表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；

2)配比合金粉末：按照质量分数将12～15％Co、74～80％镍包WC合金粉末、4～6％Cr和4～5％Ti，进行混合；

3)采用同轴送粉方式，采用光纤激光器为发射激光源进行高速激光表面熔覆；控制高速激光熔覆的功率、光斑直径和扫描线速度，达到熔道搭接率为70％；

4)保持步骤3)中的光斑直径、扫描线速度不变，将激光功率降低，在不送粉条件下，对步骤3)形成的熔覆层进行激光重熔；

5)对步骤4)形成的熔覆层进行微波快速退火处理，即完成离心压缩机表面强化的激光熔覆。

进一步，所述高速激光熔覆的功率为1～1.5KW、光斑直径为3mm、扫描线速度为1.2～2m/s。

进一步，保持步骤3)中的光斑直径、扫描线速度不变，将激光功率降低至800W。

进一步，所述步骤5)，退火最高温度为500℃，升降温速率为100℃/min，保温时间为5min。

进一步，0Cr17Ni4Cu4Nb基体表面高速激光熔覆后，其硬度为1507～1970HV；在倾斜30°和75°冲蚀条件下，3小时后，体积损失量为0.1～0.27cm³×10^-3·min^-1；经过12小时的气蚀试验后，熔覆层的体积损失量为0.05～0.1cm³×10^-3·h^-1。

本发明的有益效果如下：

本发明基于离心式压缩机叶片、叶轮及主轴0Cr17Ni4Cu4Nb基体材料，旨在提高基体的抗冲蚀和抗气蚀性能，开发了一种适用于高速激光熔覆用合金粉末及相应的高速激光熔覆工艺。该方法中，

选用CoCrTi(WC)合金粉末，通过调控合金粉粒末粒度、比例来调节熔覆层性能；调节激光熔覆过程中温度场影响，保持物相稳定；采用Co、Cr、Ti元素提高熔覆层与基体的润湿性，提高与基体的冶金结合强度，降低在冲蚀和气蚀过程中的开裂敏感性，提升熔覆层的抗氧化性能；在节约材料的基础上，进一步提高了叶片、叶轮及主轴表面的抗冲蚀和抗气蚀性能。通过调整合金粉末粒度、比例及激光参数，合理控制温度场，使稀释率降低，降低界面处的热应力；相较于基体，抗冲蚀性能提高3～4倍，抗气蚀性能提高2～3倍。

实验表明，此CoCrTi(WC)合金粉末形成的熔覆层光滑平整无裂纹，可显著提升了0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢抗冲蚀和抗气蚀性能，满足离心压缩机叶片、叶轮及主轴表面强化和再制造修复所需要求。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明中所采用高速激光熔覆技术及CoCrTi(WC)合金粉末，包括下述步骤：

1)对0Cr17Ni4Cu4Nb型不锈钢进行熔覆前常规预处理：除锈、超声去油，并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；

2)配比钴基合金粉末：按照质量比取Co：10.0～15％、镍包WC合金粉末：74.0～80.0％、Cr：4～6％、Ti：4～5％进行混合；

3)采用同步送粉方式，进行高速激光表面熔覆：

在步骤3)中，高速激光熔覆采用光纤激光器为发射激光源，同轴送粉方式；高速激光熔覆的功率为1～1.5KW、光斑直径为3mm、扫描线速度为1.2～2m/s，离焦量为2-3mm，熔道搭接率为70％；

4)保持步骤3)中的光斑直径、扫描线速度不变，将激光功率降低至800W，在不送粉条件下，对步骤3)形成的熔覆层进行激光重熔；

5)对步骤4)形成的熔覆层进行微波快速退火处理，退火最高温度为500℃，升降温速率为100℃/min，保温时间为5min。

6)熔覆后进行微观结构和性能检测。

将熔覆后的试样沿垂直于扫描方向线切割,熔覆层表面及横断面均用渗透法检测裂纹，微观结构表征采用金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、能谱(EDAX)；抗冲蚀和抗气蚀性能基于冲刷腐蚀实验(SiO₂+NaCl，1h)、振动空蚀实验方法(室温，振动频率为20kHz，周期1h/共12h)和显微硬度进行评价。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

选用0Cr17Ni4Cu4Nb型不锈钢(尺寸：100mm×50mm×10mm)作为基底，进行熔覆前预处理：除锈、去油并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。

以氩气作为保护气氛，采用HGL-JKR5250高速激光熔覆机进行激光熔覆。其中，功率P为1.5KW、光斑直径D为3mm、扫描速度V_S为2m/s、送粉速度V_f为10.2g/min，离焦量为2mm。采用CoCrTi(WC)合金粉末进行高速激光熔覆，本实施例中合金粉末配比为10％Co、80％WC、6％Cr、4％Ti。之后，进行激光重熔。对形成的熔覆层进行微波快速退火处理，退火最高温度为500℃，升降温速率为100℃/min，保温时间为5min。

样品熔覆层形貌平整光亮、无裂纹、成形性良好；显微硬度为1507HV；基于冲刷腐蚀实验(SiO₂+NaCl，1h)抗冲蚀性测试后，在倾斜30°和75°冲蚀条件下，体积损失量为0.27cm³×10^-3·min^-1；基于振动空蚀实验方法(室温，振动频率为20kHz，周期1h/共12h)抗气蚀性，体积损失量为0.08cm³×10^-3·h^-1(30°)、0.1cm³×10^-3·h^-1(75°)。相较于基体，抗冲蚀性能提高2.5倍，抗气蚀性能提高2倍。

实施例2

选用0Cr17Ni4Cu4Nb主轴用钢(尺寸：100mm×50mm×10mm)作为基底，进行熔覆前预处理：除锈、去油并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净。

以氩气作为保护气氛，采用HGL-JKR5250高速激光熔覆机进行激光熔覆。其中，功率P为1KW、光斑直径D为3mm、扫描速度V_S为1.2m/s、送粉速度V_f为10.2g/min，离焦量为2mm。采用Co-WC-Cr-Ti合金粉末进行高速激光熔覆，本实施例中Co-WC-Cr-Ti合金粉末配比为12％Co、78％WC、5％Cr、5％Ti。之后，进行激光重熔。对形成的熔覆层进行微波快速退火处理，退火最高温度为500℃，升降温速率为100℃/min，保温时间为5min。

样品熔覆层形貌平整光亮、无裂纹、成形性良好；显微硬度为1760HV；基于冲刷腐蚀实验(SiO₂+NaCl，1h)抗冲蚀性测试后，在倾斜30°和75°冲蚀条件下，体积损失量为0.12cm³×10^-3·min^-1；基于振动空蚀实验方法(室温，振动频率为20kHz，周期1h/共12h)抗气蚀性，体积损失量为0.07cm³×10^-3·h^-1(30°)、0.07cm³×10^-3·h^-1(75°)。相较于基体，抗冲蚀性能提高4倍，抗气蚀性能提高3倍。

实施例3

以氩气作为保护气氛，采用HGL-JKR5250高速激光熔覆机进行激光熔覆。其中，功率P为1.5KW、光斑直径D为3mm、扫描速度VS为1.2m/s、送粉速度Vf为10.2g/min，离焦量为3mm。采用CoCrTi(WC)合金粉末进行高速激光熔覆，本实施例中合金粉末配比为15％Co、74％WC、6％Cr、5％Ti。之后，进行激光重熔。对形成的熔覆层进行微波快速退火处理，退火最高温度为500℃，升降温速率为100℃/min，保温时间为5min。

样品熔覆层形貌平整光亮、无裂纹、成形性良好；显微硬度为1970HV；基于冲刷腐蚀实验(SiO₂+NaCl，1h)抗冲蚀性测试后，体积损失量为0.1cm³×10^-3·min^-1；基于振动空蚀实验方法(室温，振动频率为20kHz，周期1h/共12h)抗气蚀性，体积损失量为0.05cm³×10^-3·h^-1(30°)、0.10cm³×10^-3·h^-1(75°)。相较于基体，抗冲蚀性能提高4倍，抗气蚀性能提高2.6倍。

本发明研发的CoCrTi(WC)合金粉末与相应的高速激光熔覆工艺，更适用于离心压缩机0Cr17Ni4Cu4Nb叶片、叶轮及主轴。首先，采用Co、Cr、Ti元素提高熔覆层与基体的润湿性，提高与基体的冶金结合强度，降低在冲蚀和气蚀过程中的开裂敏感性，提升熔覆层的抗氧化性能；其次，通过调整合金粉末的粒度、比例及激光参数，合理控制温度场，降低稀释率，降低界面处的热应力；相较于基体，抗冲蚀性能提高3～4倍，抗气蚀性能提高2～3倍。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于，包括下述步骤：

2)配比合金粉末：按照质量分数将10～15％Co、74～80％镍包WC合金粉末、4～6％Cr和4～5％Ti，进行混合；

5)对步骤4)形成的熔覆层进行微波快速退火处理，即完成离心压缩机表面强化的激光熔覆；

0Cr17Ni4Cu4Nb基体表面高速激光熔覆后，其硬度为1507～1970HV；在倾斜30°和75°冲蚀条件下，3小时后，体积损失量为0.1～0.27cm³×10^-3·min^-1；经过12小时的气蚀试验后，熔覆层的体积损失量为0.05～0.1cm³×10^-3·h^-1。

2.根据权利要求1所述的一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于，所述高速激光熔覆的功率为1～1.5KW、光斑直径为3mm、扫描线速度为1.2～2m/s，送粉速度V_f为10.2g/min。

3.根据权利要求1所述的一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤4)，保持步骤3)中的光斑直径、扫描线速度不变，将激光功率降低至800W。

4.根据权利要求1所述的一种离心压缩机表面强化用高速激光熔覆合金粉末的激光熔覆方法，其特征在于，所述步骤5)，退火最高温度为500℃，升降温速率为100℃/min，保温时间为5min。