CN111334791B - 一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于渣浆泵技术领域，具体涉及一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法。该方法根据渣浆泵叶片在工作时，渣浆中不同尺寸的矿物颗粒，对泵轮叶片的不同位置的磨损量不同，在渣浆泵表面进行非均匀的仿生设计和加工。应用激光熔覆和激光熔凝加工技术，在渣浆泵叶轮的叶片表面制备条纹状不同硬度、间距、元素材料的仿生单元体。这些仿生单元体与叶轮母体共同组成了新的耐磨、抗疲劳表面，减轻了渣浆对叶轮的磨损，延长了叶轮的使用寿命，是一种绿色，高效的渣浆泵叶片表面强化方法。经过强化后的渣浆泵叶轮，较普通叶轮的使用寿命提高1‑1.5倍，且由于激光加工的作用，使叶轮表面的组织非常致密，耐腐蚀性也大大增强。

Description

一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法

技术领域

本发明属于渣浆泵的表面强化技术领域，具体涉及一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法。

背景技术

渣浆泵通常是指通过借助泵的叶轮的旋转作用使固、液混合介质能量增加的一种机械，主要用于矿山、电厂、疏浚、冶金、化工、建材及石油等行业领域。渣浆泵的运行原理是，在离心力作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮边缘进入蜗型泵壳。在蜗型泵壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要的场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。

在渣浆泵的叶轮运转过程中，由于受到高温高速并携带有硬质颗粒的矿浆浆料的冲刷，使得叶轮表面材料磨损严重，在如此严苛的工况条件下，叶轮的寿命非常短，需要频繁的更换以确保渣浆泵的可靠、运行稳定，而叶轮的频繁更换必然会造成生产的中断，大大的降低了生产效率，使生产节拍无法连续。由此，研究和开发耐磨材料来减少叶轮在使用过程中的磨损，延长渣浆泵叶轮的使用寿命是非常重要的课题，也是国内外技术人员研究的重要内容。

在现有技术中，先后采用了普通白口铁、镍硬铸铁和高铬铸铁Cr15Mo3等耐磨材质，现在陶瓷材料、奥贝铸铁ADI、高分子材料和含Cr20％以上的高铬铸铁等新型材料也开始被局部使用。但是，已经研制出的硬镍、高铬、锰铜等合金铸铁，还存在着以下几种缺陷：

1、低合金白口铸铁成本低，使用寿命相对较短；

2、硬镍铸铁，使用寿命长，但镍资源短缺，价格高，不能大量使用；

3、高铬铸铁，耐磨性高于合金白口铸铁，铬资源相对较丰富，性能价格比高，应用比较广泛；

4、奥贝球铁ADI，综合性能优良，其硬度低于高铬铸铁，有优良的铸造性能，热处理工艺简单，重量轻，只能用于小型渣浆泵；

5、复合材料，具有优良的耐磨性、耐蚀性及耐冲击性，同时还具有制造成本低的特点，但生产工艺相对复杂；

6、高分子材料，制备过程简单方便，节能，性能优越，但价格昂贵，生产成本会大幅度提升。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明目的是提供一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法，应用激光加工技术，可以使渣浆泵的叶轮克服现有硬度、强度不足，表面容易腐蚀的缺点，增强渣浆泵叶轮的综合强度和使用寿命，减少渣浆泵叶轮的更换频率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：所选的渣浆泵为市贩的高铬铸铁叶轮渣浆泵，叶轮的元素百分含量的组分组成：碳2.5—3.6％、铬25—35％、硅0.3—0.5％、铼0.02—0.04％、钼0.6—1.0％、铜0.6—0.8％、锰0.4—0.7％、镍0.6—0.8％、钨1.2—1.8％、硼0.03—0.05％、钛0.05—0.15％、钒0.05—0.15％，其余为铁。

根据仿生理论，采用激光熔覆和熔凝复合加工的方法通过在叶轮表面制备不同材料的仿生单元体模型来提高强度，更好的满足渣浆泵叶轮在工作状态时的要求。所获得的单元体类似于生物表面的硬质单元。相比于母材单元体内晶粒组织得到明显的细化，硬度得到明显的提高。在叶片表面应用仿生设计方法将叶片表面分成主要磨损区和次要磨损区，区分标准是通过研究渣浆中磨粒的大小在渣浆泵工作过程中对叶轮的磨损规律确定的。叶片从边缘处开始，向轴心方向延申至叶片总面积的40％，是叶片的主要磨损区，其余位置为次要磨损区。

从叶片的边缘处开始，往轴心方向延申叶片的磨损逐渐减轻，主要原因是由于砂浆泵中的颗粒直径大小不一致，以大于1mm、1—0.5mm、0.5mm以下为颗粒指标，当颗粒直径大于1mm，由于自身重量，颗粒普遍聚集在叶片的边缘区域，与叶片发生磨损，造成叶片的破坏。随着颗粒尺寸的减小，当颗粒尺寸在0.5mm时，颗粒跟水混合在一起，受到液体离心力作用，被送至泥浆泵的泵壳位置，对叶片造成较小的磨损，磨损区域集中在从叶片中部到轴心的位置。

为了解决上述问题，本发明在渣浆泵叶轮上进行类似生物体表的仿生设计并进行加工，具体技术方案和加工方法，包括以下步骤：

步骤一：对渣浆泵叶轮表面进行清洁和预处理(强化对象的渣浆泵叶轮是直接铸造后未经防腐处理)。

步骤二：采用激光熔覆的方法，将激光束在叶轮表面沿着预定轨迹进行扫描，采用重力送粉的方式，根据前述的仿生设计方法，设定两种不同尺寸的激光光斑，依次在叶轮表面熔覆Cr、C合金粉末，熔覆规律按照ABBABBA，在叶轮表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。

步骤三：采用激光熔凝的方法，将激光束在叶轮的剩余表面沿着预定轨迹进行扫描，使其表面熔化并快速凝固，完成剩余的加工。

步骤四：对渣浆泵叶轮表面进行正常的防腐处理。

与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

本发明中，采用激光熔覆和激光熔凝两种加工方式，在渣浆泵叶轮表面进行强化处理。本发明是采用仿生设计方法在叶轮表面进行强化路径的设计，其中的关键原理是在叶轮表面熔覆Cr或C元素的合金粉末，当合金粉末与叶片表面母材共同熔化并迅速凝固后，在叶片表面形成条纹(加工路径)状强化单元，根据设定的激光光斑和能量不同，所得到的强化单元体的宽度、熔深、硬度、组织都不相同，在叶片表面不同的磨损区域，采用不同的强化设计方法。通过这种不同硬度、组织以及相关特征参数的多元组合，确定了适用于渣浆泵的表面仿生强化方法。

本发明的有益效果：

本发明所述基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法，使渣浆泵叶轮的表面耐磨性和耐腐蚀性均得到加强，使普通的高铬铸铁变成软硬相间的仿生表面。帮助企业提高产品质量，增加产品寿命，同时还可根据需求做出调整，通过改变仿生模型来改变产品性能。

附图说明

图1为本发明所述的叶片加工区域的熔覆表面结构示意图。

图2为本发明所述的熔覆Cr元素粉末的叶片区域的显微金相组织图；

图3为本发明所述的熔覆C元素粉末的叶片区域显微金相组织图；

图4为本发明所述的叶片母材单元体金相组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述一下本发明的具体内容。

针对磨损较大的叶面边缘的区域，本发明在叶面表面采用熔覆Cr粉末和C粉末制备不同宽度的条纹状仿生单元体。熔Cr条纹状仿生单元体宽度为a1，a1＝3.2—4.0mm；深度为b1，b1＝0.3—0.5mm；熔C条纹状仿生单元体宽度a2，a2＝1.0—1.2mm；深度为b2，b2＝0.7—1.0mm；二者间的间距为c2，c1＝0.7mm。

针对磨损较小，磨粒直径小于0.5mm的叶轮内表面区域，本发明在叶片表面制备激光熔凝条纹状单元体模型。条纹状单元体模型的宽度为a3，a3＝1.5—2.0mm；深度为b3，b3＝0.8—1.0mm；相邻两条纹仿生单元体中心间距离为c2，c2＝0.3—0.5mm；

上述叶轮表面进行仿生激光熔覆加熔凝处理的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：对渣浆泵叶轮表面进行清洁和预处理(强化对象的渣浆泵叶轮是直接铸造后未经防腐处理)。

步骤二：采用激光熔覆的方法，将激光束在叶轮表面沿着预定轨迹进行扫描，采用重力送粉的方式，根据前述的仿生设计方法，设定两种不同尺寸的激光光斑，依次在叶轮表面熔覆Cr、C合金粉末，熔覆规律按照ABBABBA，在叶轮表面形成均匀分布、晶粒组织细化的仿生单元体。

步骤三：采用激光熔凝的方法，将激光束在叶轮的剩余表面沿着预定轨迹进行扫描，使其表面熔化并快速凝固，完成剩余的加工。

步骤四：对渣浆泵叶轮表面进行正常的防腐处理。

渣浆泵的母材为高铬铸铁(Cr15Mo3)材料的硬度为520—540HV，抗拉强度650—800MPa。

渣浆泵的母材为高铬铸铁(Cr15Mo3)表面制备仿生单元体后性能见下表：

实施例一：

用功率2000瓦的连续激光器，在所述渣浆泵叶轮表面制备熔铬粗条纹单元体模型A，A类条纹单元体模型的宽度为a1，

a1＝3.2—5.2mm；深度为b1，b1＝0.3—0.5mm；表面凸起为0.1—0.2mm相邻最近两单元体间距离为c。

A类条纹单元体的显微硬度为750—780HV，熔覆材料为含Cr50—100％的合金粉末，选用激光输出功率为900—1300W，熔覆速度4—6mm/s，离焦量100—120mm，光斑宽3×1mm2采用重力送粉的方式，将粉末送入激光熔池内。A类单元体是原母材与Cr合金粉末在激光照射下迅速熔化，照射停止后迅速凝固。

A类熔覆单元体，由于添加了大量Cr元素，在凝固的组织中增加了大量的M7C3型碳化物，该碳化物在母材组织中也有，但是经过熔覆强化后，晶粒得到细化，细化后的晶体类型为胞状晶，尺寸为1—3μm，组织照片如图2所示。

实施例二：

用功率2000瓦的连续激光器，在所述渣浆泵叶轮表面制备熔碳细条纹单元体模型B，B类条纹单元体模型的宽度为a2

a2＝1.1—1.5mm；深度为b2，b2＝0.7—1.1mm；表面凸起为0.1—0.2mm相邻最近两单元体间距离为c

B类条纹单元体的显微硬度为920—965HV，熔覆材料为含C50—100％的合金粉末，选用激光输出功率为800—1200W，熔覆速度5—6mm/s，离焦量100—120mm，光斑宽1×1mm2采用重力送粉的方式，将粉末送入激光熔池内。B类单元体是原母材与C合金粉末在激光照射下迅速熔化，照射停止后迅速凝固。

B类熔覆单元体，由于添加了大量C元素，在凝固的组织中增加了大量的碳化物，经过熔覆强化后，晶粒得到细化，熔化区晶体类型为细化网状晶，碳化物主要由Fe3C等铁碳化合物组成，尺寸为3—5μm，组织照片如图3所示。

A类熔覆单元体和B类熔覆单元体呈条纹状分布，分布规律为ABBABBA,单元体与单元体的间距c1＝0.6—0.8mm，这是由外部主要对叶轮表面造成磨损的颗粒直径决定的。当单元体的间距过大时，磨粒直接作用到未处理母材表面，当单元体间距过小时，浪费熔覆材料，徒增成本呢，不符合仿生设计理念。当c1＝0.6—0.8mm时，渣浆颗粒有很大的机率在磨损时处在两条单元体中间，能保证叶轮表面的耐磨性，磨损机理如图1所示。

在叶轮的剩余部分，采用直接熔凝的方法进行强化处理，由于叶轮靠近轴心的位置其磨损对象主要是直径小于0.5mm的细小颗粒。在渣浆泵工作过程中，细小颗粒混合着泥水，对叶轮表面的磨损较小。从仿生设计原理的角度考虑，不需额为添加元素增强表面的性能，依靠熔凝强化即可。组织照片如图3所示。

实施例三：

用功率2000瓦的连续激光器，在所述渣浆泵叶轮表面制备熔凝条纹单元体模型C，C类条纹单元体模型的宽度为a3

A3＝1.5—2.5mm；深度为b3，b3＝0.8—1.2mm；表面凸起小于0.1mm相邻最近两单元体间距离为c2＝0.3—0.4mm；

C类熔凝单元体，由激光在母材表面扫描后，母材迅速熔化再凝固，晶粒得到细化，由于没有新的元素熔入，熔凝区的碳化物较A类和B类熔覆区组织较少，熔化区一侧单元体组织呈“鱼骨”状，主要由马氏体+渗碳体+和残余奥氏体组成，尺寸为3—5μm，组织照片如图4所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法，其特征在于：所述渣浆泵为高铬铸铁叶片渣浆泵，在渣浆泵叶片表面的不同位置，采用母材熔凝、熔铬、熔碳的不同加工工艺，使渣浆泵叶片表面形成组织硬度非均匀、形状非均匀、表层结构非均匀的仿生叶片表面，根据渣浆泵的使用环境和渣浆颗粒的大小不同，进行渣浆泵的仿生耐磨表面加工；

在叶片的外缘至轴心占整个叶片总面积的40％的区域，采用激光熔铬和熔碳交替强化工艺，在叶片的根部区域，采用激光熔凝的强化工艺；

熔铬后的熔覆区硬度750—780HV，熔碳后的熔覆区硬度920—965HV；熔覆轨迹为条纹，设定从叶片外缘开始熔铬条纹为A，熔碳条纹为B，熔覆规律为ABBABBA；

A条纹单元体的宽度为3.2—5.2mm，深度为0.3—0.5mm，表面凸起为0.1—0.2mm；B条纹单元体的宽度为1.1—1.5mm，深度为0.7—1.1mm，表面凸起为0.1—0.2mm；相邻最近两条纹单元体间距离为0.6—0.8mm，条纹单元体的倾斜角度与叶片纵向边缘倾斜角一致；

在叶片的根部区域，采用激光熔凝的强化工艺时，激光熔凝区域条纹单元体的宽度为1.0—1.2mm，深度为0.6—0.8mm，表面凸起为0.1—0.2mm，相邻最近两条纹单元体间距离为0.3—0.5mm。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生设计的渣浆泵叶片表面非均匀强化方法，其特征在于：采用激光熔铬和熔碳交替强化工艺时，熔覆材料为含铬量50％—100％的合金粉末或含碳量50％—100％的合金粉末，激光光束的能量密度10.83—26.24J/mm²，扫描速度4—6mm/s，熔覆功率800—1300W，离焦量100—120mm，采用重力送粉的方式，将粉末送入激光熔池内。

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