CN113215515A - 一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，该方法将激光载能束流与多形态一体沉积束流复合，通过调节激光载能束流与多形态一体沉积束流在基体上行走时的相对位置，可分为激光辅助前处理、激光辅助同步处理、激光辅助后处理三种工作模式，实现超前、同步、滞后三种方式对颗粒、基体进行加热软化，增强粉末与基体的塑性变形能力，提高涂层的成形质量。采用镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法在镍基高温合金表面制备了Inconel 718合金涂层，涂层厚度达500μm以上，孔隙率0.14％以下，较无激光辅助处理降低78％。本发明的有益效果是降低涂层氧化程度及热应力，提高了涂层致密度、沉积效率和结合强度。

Description

一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法
技术领域
本发明涉及增材修复技术领域，特别是涉及一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法。
背景技术
镍基高温合金是指以镍为主加元素的合金，其镍含量一般超过50％。镍基高温合金具有组织结构稳定、抗氧化能力强和工作温度高等优异性能，在85％的熔点温度时(高达650-1000℃)仍可保持较高的强度和良好的抗氧化性，因而在航空发动机和工业燃气轮机等热端部件得到广泛应用。由于在高温、高燃气腐蚀、循环载荷、振动以及高推重比等严苛的工作环境中长期服役，易导致镍基高温合金部件发生烧蚀、掉块等损伤，严重制约着装备的正常使用和服役安全。
采用特定的表面工程技术和增材修复技术可有效恢复损伤零件的尺寸和性能，为镍基高温合金综合使役性能的保持和再生提供了可行途径。镍基高温合金粉末高熔点等自身的物理特性，使得在采用传统喷涂工艺进行修复时存在技术瓶颈：一方面在氧化性气氛的条件下，涂层沉积效率偏低，氧化含量与孔隙偏高；另一方面较高的喷涂温度会导致镍基高温合金MC型碳化物分解，碳原子与基体γ中的Cr原子结合形成M23C6型碳化物，MC型碳化物分解对合金的性能不利，因此极大限制了其应用范围。
由于传统热喷涂温度过高，制备的涂层不可避免的出现氧化氮化和相变等现象，同时造成涂层中热应力较大，在制备较厚涂层时会出现孔隙率较高、开裂等缺陷，进而不能用于镍基高温合金体积损伤的修复。
发明内容
本发明的目的在于针对现有喷涂技术制备的镍基高温合金涂层存在的结合强度较低、氧化氮化较高、涂层热应力较大等问题，提供一种氧化程度低、热应力较小且结合强度高的镍基高温合金表面修复强化新方法。
本发明公开了一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，该方法将激光载能束流与多形态一体沉积束流复合，多形态一体沉积技术以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原性气体、送粉载气为氮气或氩气，其焰流温度在1000-1500℃之间，不同粒径尺寸的喷涂颗粒在高温高速焰流中加热到熔化或半熔融状态，以液态、半固态或固态形式沉积到基体表面形成涂层。采用多形态一体沉积技术制备的涂层相比于传统热喷涂层在氧化含量较低、相变程度较小、热应力较低等方面具有巨大的优势。再通过调节激光载能束流与多形态一体沉积束流在基体上行走时的相对位置，可分为激光辅助前处理、激光辅助同步处理、激光辅助后处理三种工作模式，实现超前、同步、滞后三种方式对颗粒、基体进行加热软化，增强粉末与基体的塑性变形能力，降低涂层孔隙率，提高涂层的成形质量，还能够提高涂层与基体的结合强度以及涂层层间结合强度。采用激光辅助多形态一体沉积复合再制造成形方法在镍基高温合金表面制备了Inconel 718合金涂层，涂层厚度达500μm以上，孔隙率0.14％以下，较无激光辅助处理降低78％。本发明的有益效果是降低涂层氧化程度及热应力，提高了涂层致密度、沉积效率和结合强度。
本发明提供的技术方案具体如下：
本发明提供了一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，所述方法包括：采用多形态一体沉积技术在镍基高温合金基体表面喷涂镍基高温合金粉末，同时调节激光载能束流与多形态一体沉积束流在基体上行走时的相对位置，形成镍基高温合金涂层；
所述多形态一体沉积技术以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原性气体、送粉载气为氮气或氩气，其焰流温度在1000-1500℃之间，喷涂束直径2-3mm，不同粒径尺寸的喷涂颗粒在高温高速焰流中加热到熔化或半熔融状态，以液态、半固态或固态形式沉积到基体表面形成涂层。
进一步地，多形态一体沉积技术主要工艺参数为：喷涂距离为150-220mm，喷涂线速度为300-2000mm·s-1，丙烷压力为65-80PSI，空气压力为75-95PSI，氢气流量20-40L/min，氮气/氩气流量为20-40L/min。
进一步地，所述激光载能束流通过激光器发射。
进一步地，所述激光器为光纤激光器，激光输出功率0-6000Kw，激光束直径2-3mm。
进一步地，通过调节激光束流与多形态一体沉积束流在喷涂基体上的相对位置，包括以下三种工作模式：
当激光束流行走在多形态一体沉积束流前3-6mm时，此时为激光辅助前处理模式，激光对基体或已沉积涂层起到加热软化作用；
当激光束流与多形态一体沉积束流位置重合时，此时为激光辅助同步处理模式，激光对喷涂粉末和基体以及已沉积涂层同时加热；
当激光束流行走在多形态一体沉积束流后3-6mm时，此时为激光辅助后处理模式，激光对已沉积涂层起重熔作用。
进一步地，在喷涂过程中采用红外热像仪实时测量已沉积涂层的温度，当测量到已沉积涂层表面温度达到300±5℃时立即停止喷涂，待已沉积涂层的温度自然冷却至70±5℃温度时继续喷涂。
进一步地，所述镍基高温合金粉末采用气雾化法制备得到，粒径为15～45μm，喷涂前放置于120℃烘箱中烘干2h。
本发明还提供了一种根据上述镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法制备的镍基高温合金涂层，所述涂层厚度达500μm以上，孔隙率0.14％以下。
上述技术方案中，将激光载能束流与多形态一体沉积束流复合，通过调节激光载能束流与多形态一体沉积束流在基体上行走时的相对位置，可分为激光辅助前处理、激光辅助同步处理、激光辅助后处理三种工作模式，实现超前、同步、滞后三种方式对颗粒、基体进行加热软化，增强粉末与基体的塑性变形能力，提高涂层与基体的结合强度以及涂层层间结合强度。
本发明提供的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，将镍基高温合金粉末的优良特性原态移植在镍基高温合金基体，涂层原始粉末的结构和性能基本不发生变化，保持镍基高温合金固有的优良性能，最终为制备优异的镍基高温合金涂层提供技术支撑；基于上述方法，在镍基高温合金表面制备得厚度为500μm以上的Inconel 718镍基高温合金涂层，该涂层结合强度高、孔隙率低，涂层未发生明显的氧化和相变，为失效的镍基高温合金零件表面损伤修复提供了新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中激光辅助多形态一体沉积复合再制造成形设备结构示意图；
图2是本发明实施例中激光辅助多形态一体沉积复合再制造成形涂层截面微观形貌图；
图3是本发明实施例中不同激光功率和喷枪移动速度下镍基高温合金涂层孔隙率变化图；
图4是本发明实施例中不同激光功率制备镍基高温合金涂层XRD图谱；
图5是本发明实施例中镍基高温合金涂层表面室温/高温硬度随激光功率变化图；
图6是本发明实施例中镍基高温合金涂层表面高温摩擦磨损因数随激光功率变化图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1为激光辅助多形态一体沉积复合再制造成形设备结构示意图，主要包括丙烷、压缩空气、H2、N2、Ar为系统中主要工作气体，控制柜、送粉器、激光头、去离子水，ABB机器人、喷枪等部组件，通过调节激光头角度实现不同工作模式。
利用上述设备，可以将激光用于多形态一体沉积过程的辅助处理。
多形态一体沉积技术主要工艺参数为：喷涂距离为150-220mm，喷涂线速度为300-2000mm·s-1，丙烷压力为65-80PSI，空气压力为75-95PSI，氢气流量20-40L/min，氮气/氩气流量为20-40L/min。
发射激光载能束流的激光器可以采用光纤激光器，激光输出功率0-6000Kw，激光束直径2-3mm。
实施例1：应用于表面损伤的镍基高温合金涂层制备方法如下：
(1)采用气雾化法制备的镍基高温合金粉末作为喷涂粉体材料，粒径为15～45μm，喷涂前放置于120℃烘箱中烘干2h，备用。
其中，镍基高温合金粉末化学成分如下：Nb:4.75-5.5wt％、Cr:17.0-21.0wt％、Fe:20.5-23.0wt％、Mo:2.8-3.3wt％、Al:0.2-0.8wt％、Ti:0.65-1.15wt％、Mn:<0.35、Co:<0.1、Ni:余量。
(2)在镍基高温合金基体使用之前先进行表面除油、除锈以及喷砂粗化处理，并用丙酮清洗基体表面。
其中，采用Inconel 718镍基高温合金作为基体材料，尺寸为20×20×5mm。
喷砂粗化工艺：选用粒径为150目棕刚玉为砂料，压缩空气压力为0.7-0.8MPa，喷砂角度为90°，喷砂距离100mm。
(3)将喷砂粗化处理后的镍基高温合金基体安装在转台上做圆周运动，喷枪的喷嘴中心平行于转台中心线，喷枪以1000、800、600mm·s-1不同速度垂直于待喷镍基高温合金样品均匀做上下周期运动；同时调节激光头角度以三种模式对多形态一体沉积层进行辅助处理：
第一种工作模式，激光束流行走在多形态一体沉积束流前3-6mm时，此时为激光辅助前处理模式，激光对基体或已沉积涂层起到加热软化作用，提高其塑性变形能力，从而提高后续沉积粉末的结合强度；
第二种工作模式，激光束流与多形态一体沉积束流位置重合时，此时为激光辅助同步处理模式，激光对喷涂粉末和基体以及已沉积涂层同时加热，提高粉末及基体的塑性变形能力，从而改善涂层成形质量；
第三种工作模式，激光束流行走在多形态一体沉积束流后3-6mm时，此时为激光辅助后处理模式，激光对已沉积涂层起重熔作用，用于提高涂层与基体的结合强度以及涂层层间结合强度。
采用激光辅助多形态一体沉积技术制备Inconel 718涂层，辅助处理模式为第二种工作模式，喷涂工艺参数为：喷涂距离为190mm，喷涂线速度为1000mm·s-1，空气压力为87PSI，丙烷压力为73PSI，氮气流量为40L/min，氢气流量40L/min，激光功率为0W。
实施例2-实施例6：
实施例2-实施例6与实施例1基本相同，保持喷枪移动线速度为1000mm·s-1不变，通过调节激光功率(700、1000、1300W)进而改变激光辐照温度；保持激光1300W不变，改变喷枪移动线速度(800、600mm·s-1)研究涂层性能。具体参数变化见表1。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
激光功率/W 0 700 1000 1300 1300 1300
喷枪速度/mms-1 1000 1000 1000 1000 800 600
下面对各实施例制备的镍基高温合金涂层进行孔隙率测试：
采用Apreo S型场发射扫描电子显微镜对各实施例制备的镍基高温合金涂层截面形貌进行观察。
采用Image J图像处理软件对各实施例所制备的涂层截面SEM背散射图片进行孔隙率分析测定，由此评价涂层的致密性，结果见图2。(a)0W,1000mm·s-1，(b)700W,1000mm·s-1，(c)1000W,1000mm·s-1，(d)1300W,1000mm·s-1，(e)1300W,800mm·s-1，(f)1300W,600mm·s-1。
将各实施例所制备的镍基高温合金涂层截面SEM选取5张进行孔隙率计算，取平均值为最终孔隙率值，具体孔隙率值见表2。
表2
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 实施例6
孔隙率/％ 0.63 0.47 0.4 0.2 0.16 0.14
由图3结合表2可以看出：孔隙率随激光功率的升高、喷枪移动速度的降低呈降低趋势，实施例6所制备的镍基高温合金涂层孔隙率最低，涂层最为致密。
下面对各实施例制备的镍基高温合金涂层进行x射线衍射试验分析：
对气雾化Inconel 718镍基高温合金粉末与各实施例所制备的镍基高温合金涂层进行x射线衍射试验分析，利用D/MAX III型多晶X射线衍射仪，结果见图4。
由图4可以看出：各实施例所制备的镍基高温合金涂层与粉末无物相变化，所采用激光辅助多形态一体沉积复合再制造成形技术制备镍基高温合金涂层保持了粉末的优良特性。
下面对各实施例制备的镍基高温合金涂层进行维氏硬度测试：
对Inconel 718镍基高温合金涂层进行室温、650、750℃不同温度环境下显微维氏硬度测试。
采用电子万能试验机测试经各实施例制备涂层表面在650、750℃高温环境中的维氏硬度，载荷10N、加载时间30s，分别测量5次，各点取平均值为最终的显微维氏硬度值，结果见图5。
由图5可以看出：涂层孔隙率随激光功率的增加、喷枪移动速度的降低呈明显的上升趋势，实施例6制备的涂层综合维氏硬度最高。
下面对各实施例制备的镍基高温合金涂层进行高温摩擦磨损测试：
采用UMT-5高温往复式摩擦磨损试验机测试涂层与基体的耐摩擦磨损性能，摩擦副为直径4mm的Si3N4陶瓷球，摩擦磨损试验参数为：试验载荷10N，往复磨损行程5mm，磨损时间10min，试验温度分别为250、300、350℃。
从图5可以看出：随着激光功率的升高、喷枪移动速度降低，涂层摩擦因数总体呈上升趋势。但部分实施例制备的涂层摩擦因数反常降低，这是因为涂层中不可避免存在孔隙等缺陷，若磨痕正好处于缺陷附近，会引起摩擦因数异常。由图6可以看出，实施例6所制备的涂层耐磨性最佳。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，所述方法包括：
采用多形态一体沉积技术在镍基高温合金基体表面喷涂镍基高温合金粉末，同时调节激光载能束流与多形态一体沉积束流在基体上行走时的相对位置，制备镍基高温合金涂层；
所述多形态一体沉积技术以丙烷为主燃气、压缩空气为助燃气、氢气为还原性气体、送粉载气为氮气或氩气，其焰流温度在1000-1500℃之间，喷涂束直径2-3mm，不同粒径尺寸的喷涂颗粒在高温高速焰流中加热到熔化或半熔融状态，以液态、半固态或固态形式沉积到基体表面形成涂层。
2.根据权利要求1所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，多形态一体沉积技术主要工艺参数为：喷涂距离为150-220mm，喷涂线速度为300-2000mm·s-1，丙烷压力为65-80PSI，空气压力为75-95PSI，氢气流量20-40L/min，氮气/氩气流量为20-40L/min。
3.根据权利要求1所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，所述激光载能束流通过激光器发射。
4.根据权利要求3所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，激光输出功率0-6000KW，激光束直径2-3mm。
5.根据权利要求1、3、4任一项所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，通过调节激光束流与多形态一体沉积束流在喷涂基体上的相对位置，包括以下三种工作模式：
当激光束流行走在多形态一体沉积束流前3-6mm时，此时为激光辅助前处理模式，激光对基体或已沉积涂层起到加热软化作用；
当激光束流与多形态一体沉积束流位置重合时，此时为激光辅助同步处理模式，激光对喷涂粉末和基体以及已沉积涂层同时加热；
当激光束流行走在多形态一体沉积束流后3-6mm时，此时为激光辅助后处理模式，激光对已沉积涂层起重熔作用。
6.根据权利要求1所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，在喷涂过程中采用红外热像仪实时测量已沉积涂层的温度，当测量到已沉积涂层表面温度达到300±5℃时立即停止喷涂，待已沉积涂层的温度自然冷却至70±5℃温度时继续喷涂。
7.根据权利要求1所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，所述镍基高温合金粉末采用气雾化法制备得到，粒径为15～45μm，喷涂前放置于120℃烘箱中烘干2h。
8.根据权利要求1所述的镍基高温合金体积损伤多工艺复合再制造方法，其特征在于，喷涂速度为1000、800或600mm·s-1。
9.一种根据权利要求1～6任一项所述的用于体积损伤修复的镍基高温合金涂层的制备方法制备的镍基高温合金涂层，其特征在于，所述涂层厚度达500μm以上，孔隙率0.14％以下。
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