CN110747464A - 基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法 - Google Patents

基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，包括镍基粉末和合金结构钢主轴预处理；调整光斑和粉斑位置，启动激光熔覆设备，将镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，降低激光熔覆设备的激光功率重复激光重熔；完毕，对熔覆涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。本发明通过高速激光熔覆涂层方法制造离心风机主轴，替代传统的不锈钢主轴材料，以低成本优势满足腐蚀工况的需要；制备的涂层硬度高、耐蚀性优异、结构稳定性良好且与基体冶金结合，涂层未出现气孔、裂纹等缺陷，具有低成本、局部防护和高效率的技术特点，产品可靠性明显提高。

Description

基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法
技术领域
本发明涉及属于涂层制备方法技术领域，具体涉及基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法。
背景技术
主轴是化工领域用离心风机的核心零部件，具有带动叶片压缩气体介质并传递动力的作用，因此要求主轴材料具有高强度和高可靠性，以保证机组长期安全运行。同时，离心风机服役介质多为化工领域常用的乙烯、丙烯，并含有SO2、CO2、H2S、Cl-、水汽等各种腐蚀性介质，以往主轴多采用2Cr13等不锈钢为原材料进行设计和生产。但因离心主轴在服役过程中真正用于接触腐蚀介质的部位仅占主轴总体表面积的1/10，其余部分并不暴露在腐蚀介质中。因此，工程上逐渐选取合金结构钢基体材料结合热喷涂涂层的方法进行设计和使用。
通过热喷涂技术，采用多层沉积方法在主轴表面涂覆Ni-Cr-Al、Co-WC等防腐耐磨材料对主轴基体可起到一定保护作用。然而，热喷涂技术本身存在一定先天缺陷，具体表现为以下方面：一方面，热喷涂涂层与基底金属的结合力以机械嵌合为主，因此涂层的耐冲击性能不高；另一方面，热喷涂涂层具有一定的孔隙率，在服役环境下，主轴腐蚀性介质如氯离子，易进入涂层内部造成腐蚀，继而导致涂层剥落；再一方面，在基体表面形成较深的熔池，激光能耗大，工作效率低；以上原因造成热喷涂涂层常见失效形式为涂层点蚀和大面积脱落，造成主轴安全隐患。此外，脱落涂层成为杂质进入工艺流程压缩气体介质中，将进一步污染化工流程，造成更恶劣的工业事故。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，解决了现有制备方法激光能耗大、工作效率低、易造成主轴变形的问题。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，包括以下步骤：
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理后备用；
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构上，调整回转机构的光斑和粉斑位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方；
步骤3，在氩气载气条件下，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，得到一定厚度的中间涂层；
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔；
步骤5，熔覆完毕后对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，步骤1中所述镍基粉末包括以下质量分数的原料：
Ni，50.0-80.0％；Nb，1.5-3.0％；Cr，8.0-20.0％；Mo，3.0-20.0％；C≤0.05％；Si≤1.0％；Mn≤0.5％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe≤5.0％；Al≤0.6％；Ti≤0.6％。
进一步，步骤1中所述镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度不小于90％。
进一步，步骤1中镍基粉末的预处理工艺为：将镍基粉末置入烘干炉中，升温至100-150℃，保温1-3h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
进一步，步骤1中所述合金结构钢主轴的预处理工艺为：将所述合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.1-0.5mm，并使合金结构钢主轴表面光洁。
进一步，步骤2中所述光斑和粉斑的位置位于所述合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方0.5-2mm处。
进一步，步骤3中所述激光熔覆设备的工艺参数为：光斑直径为0.5-3mm，熔覆线速率为20-100m/min，每转进给量为0.2-0.4mm，搭接率35％-45％，激光功率为800-1500W，送粉速率为5-25g/min。
进一步，步骤3中所述中间涂层的厚度为0.15-0.55mm。
进一步，步骤4中所述激光重熔的工艺参数为：光斑直径为0.5-3mm，熔覆线速率为20-100m/min，每转进给量为0.2-0.4mm，搭接率35％-45％，激光功率为600-1300W。
进一步，步骤5中所述离心风机钢主轴涂层的参数为：涂层表面无裂纹、硬度不小于35HRC，耐腐蚀性评级至少为8级。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
1)本发明采用高速激光熔覆技术，由于不需要在基体表面形成较深的熔池，故与传统激光熔覆技术相比，激光能耗明显下降，工作效率提高；且更小的热输入可减小离心主轴尤其是空心主轴的变形量；
2)本发明的制备方法与传统热喷涂或普通激光熔覆工艺相比，镍基粉末稀释率低，涂层成分受基体材料影响更小，最终涂层表面更加平整光滑、均匀致密且结合度更高；
3)本发明的制备方法制备的涂层厚度控制更精准，涂层均匀致密且与基体结合度更优，可显著提高离心风机主轴零部件的使用寿命，具有低成本、局部防护和高效率的技术特点，可满足大规模批量化生产。
4)本发明采用的高速激光熔覆技术，将少部分激光束能量作用在基体材料上形成较浅的熔池，而大部分能量作用在粉末材料上，使粉末在进入熔池前温度升至熔点并熔化，以液滴形式与基体材料结合，再依靠基体自身冷却凝固。由于不需要在基体表面形成较深的熔池，故与传统激光熔覆技术相比，激光能耗明显下降，工作效率也提高了几十甚至上百倍；且更小的热输入可减小离心主轴尤其是空心主轴的变形量。
具体实施方式
下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
本发明基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，包括以下步骤：
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理：
合金结构钢主轴的预处理工艺为：将合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.1-0.5mm，并使合金结构钢主轴表面光洁。
镍基粉末的预处理工艺为：将镍基粉末置入烘干炉中，升温至100-150℃，保温1-3h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
其中镍基粉末按照质量分数由以下组分组成：Ni，50.0-80.0％；Nb，1.5-3.0％；Cr，8.0-20.0％；Mo，3.0-20.0％；C≤0.05％；Si≤1.0％；Mn≤0.5％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe≤5.0％；Al≤0.6％；Ti≤0.6％；以上组分的质量分数百分比之和为100％。
镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度不小于90％。
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构，调整激光焦点光斑和镍基粉末汇聚点粉斑位置，使其位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方0.5-2mm处，保证激光熔覆设备激光束大部分能量能作用在镍基粉末材料上。
步骤3，启动激光熔覆设备，以氩气作为载气条件，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，设定光斑直径为0.5-3mm，熔覆线速率为20-100m/min，每转进给量为0.2-0.4mm，搭接率35％-45％，激光功率为800-1500W，送粉速率为5-25g/min，得到厚度为0.15-0.55mm的中间涂层。
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔，设定光斑直径为0.5-3mm，熔覆线速率为20-100m/min，每转进给量为0.2-0.4mm，搭接率为35％-45％，激光功率为600-1300W。激光重熔的目的是使处理后的涂层平滑光亮、无凹坑和裂纹；
步骤5，待步骤4熔覆完毕，采用磨床对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。磨削加工的目的是使涂层厚度及表面粗糙度达到相应要求。
对涂层采用着色渗透法进行无损探伤；采用便携式洛氏硬度计测定涂层硬度；采用SY/Q-750型盐雾腐蚀试验箱进行涂层耐蚀性评价。
离心风机钢主轴涂层的参数为：经无损检测涂层表面无裂纹、硬度不小于35HRC，按国标GB-T6461-2002耐腐蚀性评级至少为8级。
本发明中的“高速”是相对于现有激光熔覆速度而言，指激光扫描线速度≥20m/min。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。
实施例1：制备直径为Φ140mm的离心风机主轴，合金结构钢主轴基体材料为35CrMo。
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理：
镍基粉末按照质量分数100％计的原料为：Ni，52.12％；Nb，1.5％；Cr，20.0％；Mo，20.0％；C，0.03％；Si，0.2％；Mn，0.5％；S，0.03％；P，0.02％；Fe，4.5％；Al，0.5％；Ti，0.6％。镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度为90％。将镍基粉末置入烘干炉中，升温至100℃，保温3h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
合金结构钢主轴的预处理工艺为：将牌号为35CrMo的合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.2mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷。
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构，调整光斑和粉斑位置，使其位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方2mm处。
步骤3，启动激光熔覆设备，以氩气作为载气条件，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，设定光斑直径为0.5mm，熔覆线速率为20m/min，每转进给量为0.2mm，搭接率35％，激光功率为1500W，送粉速率为5g/min。用无水乙醇擦拭基体待熔覆表面，得到厚度为0.55mm的中间涂层。
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔，设定光斑直径为0.5mm，熔覆线速率为20m/min，每转进给量为0.2mm，激光功率为1300W，搭接率为35％。激光重熔的目的是使处理后的涂层平滑光亮、无凹坑和裂纹。
步骤5，待步骤4熔覆完毕，采用磨床对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。
进行熔覆层性能检测，经无损检测，熔覆层无裂纹；熔覆层硬度达42±3HRC以上；按国标GB-T6461-2002对熔覆层耐腐蚀性评级为8级。
实施例2：制备直径为Φ80mm的离心风机主轴，基体材料为40CrNiMo。
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理：
镍基粉末按照质量分数100％计的原料为：Ni，62.09％；Nb，2.5％；Cr，10.0％；Mo，19.0％；C，0.05％；Si，1.0％；Mn，0.3％；S，0.03％；P，0.03％；Fe，4.0％；Al，0.5％；Ti，0.5％。镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度为90％。镍基粉末的预处理工艺为：将镍基粉末置入烘干炉中，升温至150℃，保温2h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
合金结构钢主轴的预处理工艺为：将牌号为40CrNiMo的合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.3mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷。
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构，调整光斑和粉斑位置，使其位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方1.5mm处重合。
步骤3，启动激光熔覆设备，以氩气作为载气条件，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，设定光斑直径为2.5mm，熔覆线速率为50m/min，每转进给量为0.3mm，激光功率为1200W，送粉速率为15g/min，搭接率为40％。用无水乙醇擦拭基体待熔覆表面，得到厚度为0.45mm的中间涂层。
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔，设定光斑直径为2.5mm，熔覆线速率为50m/min，每转进给量为0.3mm，激光功率为1000W，搭接率为40％。激光重熔的目的是使处理后的涂层平滑光亮、无凹坑和裂纹。
步骤5，待步骤4熔覆完毕，采用磨床对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。
进行熔覆层性能检测，经无损检测，熔覆层无裂纹；熔覆层硬度达59±6HRC以上；按国标GB-T6461-2002对熔覆层耐腐蚀性评级为8级。
实施例3：制备直径为Φ420mm的离心风机主轴，基体材料为25CrNiMoV。
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理：
镍基粉末按照质量分数100％计的原料为：Ni，79.4％；Nb，3.0％；Cr，8.0％；Mo，3.0％；C，0.04％；Si，0.5％；Mn，0.2％；S，0.03％；P，0.03％；Fe，5.0％；Al，0.5％；Ti，0.3％。镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度为90％。将镍基粉末置入烘干炉中，升温至130℃，保温2.5h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
合金结构钢主轴的预处理工艺为：将牌号为25CrNiMoV的合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.1mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷。
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构，调整光斑和粉斑位置，使其位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方0.5mm处重合。
步骤3，启动激光熔覆设备，以氩气作为载气条件，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，设定光斑直径为3.0mm，熔覆线速率为100m/min，每转进给量为0.2mm，激光功率为800W，送粉速率为5g/min。用无水乙醇擦拭基体待熔覆表面，得到厚度为0.15mm的中间涂层。
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔，设定光斑直径为3.0mm，熔覆线速率为100m/min，每转进给量为0.2mm，激光功率为600W。激光重熔的目的是使处理后的涂层平滑光亮、无凹坑和裂纹。
步骤5，待步骤4熔覆完毕，采用磨床对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。
进行熔覆层性能检测，经无损检测，熔覆层无裂纹；熔覆层硬度达46±5HRC以上；按国标GB-T6461-2002对熔覆层耐腐蚀性评级为9级。
实施例4：制备直径为Φ350mm的离心风机主轴，基体材料为40CrNiMo7。
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理：
镍基粉末按照质量分数100％计的原料为：Ni，50.0％；Nb，3.0％；Cr，20.0％；Mo，20.0％；C，0.05％；Si，1.0％；Mn，0.5％；S，0.03％；P，0.03％；Fe，4.19％；Al，0.6％；Ti，0.6％。镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度为90％。将镍基粉末置入烘干炉中，升温至120℃，保温1h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
合金结构钢主轴的预处理工艺为：将牌号为25CrNiMoV的合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.5mm，检查基体表面，确保表面光洁无缺陷。
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构，调整光斑和粉斑位置，使其位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方0.1mm处重合。
步骤3，启动激光熔覆设备，以氩气作为载气条件，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，设定光斑直径为1.5mm，熔覆线速率为80m/min，每转进给量为0.3mm，激光功率为1100W，送粉速率为25g/min，搭接率为35％。用无水乙醇擦拭基体待熔覆表面，得到厚度为0.35mm的中间涂层。
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔，设定光斑直径为1.0mm，熔覆线速率为80m/min，每转进给量为0.3mm，激光功率为1100W，搭接率为35％。激光重熔的目的是使处理后的涂层平滑光亮、无凹坑和裂纹。
步骤5，待步骤4熔覆完毕，采用磨床对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。
本实施例的性能指标为涂层硬度≮32HRC，按国标GB-T6461-2002耐蚀性评级为7级以上。进行熔覆层性能检测，经无损检测，熔覆层无裂纹；熔覆层硬度达41±5HRC以上；按国标GB-T6461-2002对熔覆层耐腐蚀性评级为8级。
本发明的制备方法通过选取合金结构钢主轴材料结合高速激光熔覆涂层的方法制造离心风机主轴，替代传统的不锈钢主轴材料，以低成本优势满足腐蚀工况的需要；制备的涂层硬度高、耐蚀性优异、结构稳定性良好且与基体冶金结合，涂层未出现气孔、裂纹等缺陷，具有低成本、局部防护和高效率的技术特点，产品可靠性明显提高。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选取镍基粉末和合金结构钢主轴，分别预处理后备用；
步骤2，将经步骤1处理后的合金结构钢主轴装夹在激光熔覆设备的回转机构上，调整回转机构的光斑和粉斑位于合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方；
步骤3，在氩气载气条件下，将经步骤1处理后镍基粉末采用同轴送粉高速激光熔覆方法熔覆到合金结构钢主轴外表面待熔覆面，得到一定厚度的中间涂层；
步骤4，停止送粉，降低激光熔覆设备的激光功率，重复步骤3对中间涂层进行激光重熔；
步骤5，熔覆完毕后对涂层磨削加工，得到所需离心风机钢主轴涂层。
2.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤1中所述镍基粉末包括以下质量分数的原料：
Ni，50.0-80.0％；Nb，1.5-3.0％；Cr，8.0-20.0％；Mo，3.0-20.0％；C≤0.05％；
Si≤1.0％；Mn≤0.5％；S≤0.03％；P≤0.03％；Fe≤5.0％；Al≤0.6％；Ti≤0.6％。
3.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤1中所述镍基粉末的粒度范围为15-55μm，球形度不小于90％。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤1中镍基粉末的预处理工艺为：将镍基粉末置入烘干炉中，升温至100-150℃，保温1-3h后炉冷至室温，随后真空封存备用。
5.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤1中所述合金结构钢主轴的预处理工艺为：将所述合金结构钢主轴固定在机床上，加工外圆至直径小于成品直径0.1-0.5mm，并使合金结构钢主轴表面光洁。
6.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤2中所述光斑和粉斑的位置位于所述合金结构钢主轴外表面待熔覆面正上方0.5-2mm处。
7.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤3中所述激光熔覆设备的工艺参数为：光斑直径为0.5-3mm，熔覆线速率为20-100m/min，每转进给量为0.2-0.4mm，搭接率35％-45％，激光功率为800-1500W，送粉速率为5-25g/min。
8.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤3中所述中间涂层的厚度为0.15-0.55mm。
9.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤4中所述激光重熔的工艺参数为：光斑直径为0.5-3mm，熔覆线速率为20-100m/min，每转进给量为0.2-0.4mm，搭接率35％-45％，激光功率为600-1300W。
10.根据权利要求1所述的基于高速激光熔覆技术的离心风机钢主轴涂层制备方法，其特征在于，步骤5中所述离心风机钢主轴涂层的参数为：涂层表面无裂纹、硬度不小于35HRC，耐腐蚀性评级至少为8级。
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