CN114959683A - 一种锆合金表面激光熔覆方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锆合金表面激光熔覆方法,包括以下步骤:(1)对锆合金表面进行处理,去除其表面氧化皮和油污;(2)对厚度为10~30μm铜箔进行处理,去除表面油污;(3)将(1)处理的锆合金放置在激光熔覆工作台上,将(2)处理的铜箔放置于锆合金表面;(4)采用同步送粉法对锆合金及表面铜箔进行半重叠式激光熔覆;(5)将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行冷却;本方法操作简单,通过在锆合金激光熔覆过程中,加入铜箔抑制了激光熔覆层的裂纹,并且因Cu和Zr在熔覆层表面可生成Cu2Zr,可提高基体表面的硬度,从而提高熔覆层的耐磨性。

Description

一种锆合金表面激光熔覆方法
技术领域
本发明涉及一种激光熔覆方法,特别涉及一种锆合金表面激光熔覆方法。
背景技术
锆及锆合金有热中子吸收截面小、较强的耐热耐腐蚀等优异性能,近年来被广泛应用于核工业、化工和生物医学等领域,例如核反应堆的堆芯燃料包壳等。但是锆合金服役环境恶劣,表面易发生磨损失效,严重影响核电装备关键部件的力学性能和使用寿命,成为重要装备制造中面临的关键问题之一。
激光熔覆技术广泛应用于表面强化领域,此技术在改善易磨损部件表面的耐磨性方面具有明显的技术优势,能够实现基体与涂层的冶金结合,对提高锆合金耐磨性是一种很有效的方法。但激光熔覆过程加热和冷却速度过快,易造成较大的残余应力,锆合金基体部分熔化进入熔池,参与熔池冶金反应,生成大尺寸柱状晶及陶瓷相也加剧了应力集中程度,导致熔覆层开裂严重,甚至引起脱落,降低了熔覆层性能。
发明内容
发明目的:本发明旨在提供一种抑制激光熔覆开裂的锆合金表面激光熔覆方法。
技术方案:本发明所述的激光熔覆方法,包括以下步骤:
(1)对锆合金表面进行处理,去除其表面氧化皮和油污;
(2)对厚度为10~30μm铜箔进行处理,去除表面油污;
(3)将(1)处理的锆合金放置在激光熔覆工作台上,将(2)处理的铜箔放置于锆合金表面;
(4)采用同步送粉法对锆合金及表面铜箔进行半重叠式激光熔覆;
(5)用石棉将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行包裹保温,保温时间为10~12小时。
所述步骤(2)中,铜箔厚度决定了激光熔覆过程中参与熔池冶金反应的铜含量,厚度过大不利于形成铜与锆的非晶,难以起到抗裂的效果,铜箔厚度过小不利于形成适量的Cu2Zr,难以提高熔覆层的硬度和耐磨性。
步骤(4)中,所述同步送粉法相对于预置粉末法,工艺操作简单,粉末利用率高,熔化前的送粉过程对粉末起到预热作用,利于熔池的冶金反应充分,熔覆层成形质量好;所述半重叠式激光熔覆保证了熔覆道之间的搭接率为40%~50%,有利于后道熔覆时对前道起到热处理和缓冷的作用,避免快冷引起的裂纹。
优选的,所述激光熔覆中激光功率为0.8~3kW,扫描速度为2~6mm/s,激光熔覆过程连续进行,熔覆道之间的搭接率为40%~50%;激光功率和扫描速度决定了激光熔覆过程中能量输入的大小以及冷却速度,对于熔覆层成形、熔覆层晶粒大小以及应力分布都有着重要影响,将激光功率和扫描速度控制在合理范围内,有利于保证熔覆层成形和降低熔覆层的应力;搭接率控制在40%~50%,有利于后道熔覆时对前道起到热处理和缓冷的作用,避免快冷引起的裂纹。
优选的,所述步骤(4)中,激光熔覆中使用的合金粉末为镍基合金粉末与碳化钨(WC)粉末的混合粉末,其中碳化钨粉的质量分数为5~15%。优选的,镍基合金粉末与碳化钨粉末的粒径为50~150μm。粒径对熔覆层的影响主要体现在送粉流畅性和熔覆层成形;粒径过小,容易发生送粉的堵塞,难以进行熔覆,粒径过大熔覆层成形较大,部分颗粒未能完全熔化,也易导致裂纹。
优选的,所述步骤(4)中,激光熔覆中激光器上装配两路保护气体导管,保护气体为氩气,气体流量为15~25L/min。
优选的,所述步骤(3)中,还包括将铜箔(1)放置于锆合金基体(2)表面,并将铜箔两端向下弯折,向下弯折的铜箔两端(4),然后用夹具(3)夹紧铜箔与锆合金基体,放置于激光熔覆工作台上(如图1所示)。通过夹具(3)固定铜箔使铜箔在激光熔覆过程中紧贴锆合金表面并保持稳定。
所述激光熔覆中,激光光斑模式影响熔池中能量分布,优选的激光光斑为矩形或圆形,其中矩形光斑尺寸为(3~8)mm×(3~8)mm,圆形光斑直径为3~10mm。
优选的,步骤(5)中,冷却用石棉将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行包裹保温,保温时间为10~12小时。
步骤(2)中,所述铜箔的纯度大于99.9%。
发明机理:在锆合金激光熔覆过程中,加入铜箔,一方面铜箔熔化进入熔池,有利于增加熔池的流动性,生成的增强相分布较为均匀,降低熔覆层的应力集中,从而减少熔覆层的开裂;另一方面Cu与Zr在激光熔覆快速冷却过程中可形成非晶,消耗了大量的Zr,从而抑制了Zr与Ni反应生成大量脆性的NiZr金属化合物,可提高熔覆层的抗裂性,降低裂纹率。
有益效果:与现有技术相比,本发明具有如下显著优点:(1)本方法在锆合金激光熔覆过程中,通过加铜箔抑制了激光熔覆层的裂纹;(2)本方法选用铜箔作为熔覆的缓冲层,因Cu和Zr在熔覆层表面可生成Cu2Zr,可提高熔覆层的硬度,熔覆层显微硬度最高约为锆合金的3倍,从而提高熔覆层的耐磨性;(3)本方法操作简单,通过加铜箔来降低激光熔覆层的裂纹率,提高熔覆层质量,延长工件在恶劣条件下的服役寿命,有效降低生产成本。
附图说明
图1为锆合金表面铜箔缓冲层装配示意图;
图2为实施例1的熔覆层的扫描电镜微观组织图;
图3为实施例1的熔覆层的显微硬度分布图;
图4为实施例2的熔覆层的扫描电镜微观组织图;
图5为实施例2的熔覆层的显微硬度分布图;
图6为对比例1的熔覆层的光学金相微观组织图;
图7为对比例1的熔覆层的显微硬度分布图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明的一种锆合金表面激光熔覆的方法,包括以下步骤:
基体为R60702锆合金板材,尺寸为200mm×100mm×10mm。
(1)用砂纸将R60702锆合金表面打磨去除油污及氧化皮,然后用丙酮和无水乙醇先后清洗打磨后的锆合金表面,用吹风机吹干。
(2)铜箔厚度为10μm,纯度为99.9%,先用细砂纸将铜箔表面打磨,然后用丙酮和无水乙醇先后清洗打磨后的铜箔,用吹风机吹干。
(3)合金粉末选用Ni60A自熔性镍基合金粉末和WC粉末,粉末粒径为50~150μm,将质量分数为95%的Ni60A自熔性镍基合金粉末和质量分数为5%的WC粉末合金粉末装进球磨罐内搅拌3小时,将得到的均匀的混合粉末放入真空干燥箱烘干20小时备用。
(4)将铜箔平置于锆合金基体并将铜箔两端向下弯折,然后用夹具夹紧铜箔与锆合金基体,放置于激光熔覆工作台上。
(5)采用同步送粉法对锆合金及表面铜箔进行半重叠式激光熔覆,采用两路氩气进行保护,保护气体纯度为99.99%,气体流量为15L/min,激光功率为0.8kW,光斑模式为圆形光斑,光斑直径为3mm,扫描速度为2mm/s,激光熔覆过程连续进行,熔覆道之间的搭接率为40%。
(6)用石棉将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行包裹保温,保温时间为10小时。
如图2所示,锆合金表面激光熔覆层成形光滑,未发现开裂现象,可以满足使用的要求。
对获得的熔覆层显微硬度进行测试,如图3所示,结果表明锆合金基体硬度约为200HV0.5,熔覆层的硬度相对于锆合金基体有了显著提升,约为锆合金基体硬度的2.5倍,大约500HV0.5,并且熔覆层的显微硬度分布较为均匀,也说明熔覆层中增强相分布均匀,降低了熔覆层中的应力集中,有效避免了熔覆层开裂。
实施例2
本发明的一种锆合金表面激光熔覆的方法,包括以下步骤:
基体为R60705锆合金板材,尺寸为300mm×150mm×8mm。
(1)用砂纸将R60705锆合金表面打磨去除油污及氧化皮,然后用丙酮和无水乙醇先后清洗打磨后的锆合金表面,用吹风机吹干。
(2)铜箔厚度为30μm,纯度为99.9%,先用细砂纸将铜箔表面打磨,然后用丙酮和无水乙醇先后清洗打磨后的铜箔,用吹风机吹干。
(3)合金粉末选用Ni60A自熔性镍基合金粉末和WC粉末,粉末粒径为50~150μm,将质量分数为85%的Ni60A自熔性镍基合金粉末和质量分数为15%的WC粉末合金粉末装进球磨罐内搅拌2小时,将得到的均匀的混合粉末放入真空干燥箱烘干20小时备用。
(4)将铜箔平置于锆合金基体并将铜箔两端向下弯折,然后用夹具夹紧铜箔与锆合金基体,放置于激光熔覆工作台上。
(5)采用同步送粉法对锆合金及表面铜箔进行半重叠式激光熔覆,采用两路氩气进行保护,保护气体纯度为99.99%,气体流量为25L/min,激光功率为3kW,光斑模式为矩形光斑,光斑尺寸为8mm×8mm,扫描速度为6mm/s,激光熔覆过程连续进行,熔覆道之间的搭接率为50%。
(6)用石棉将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行包裹保温,保温时间为12小时。
如图4所示,得到的锆合金表面激光熔覆层成形良好,未出现裂纹。
对获得的熔覆层显微硬度进行测试,如图5所示,熔覆层的硬度相对于锆合金基体有了较大幅度的提升,熔覆层显微硬度约为锆合金的3倍。熔覆层的显微硬度分布反映了熔覆层中的组织分布,熔覆层显微硬度分布均匀,也说明了熔覆层中增强相分布均匀,使熔覆层中的应力集中降低,有效避免了熔覆层开裂。
对比例1
在实施例1的基础上,不加铜箔,其他条件不变。
如图6所示,得到的锆合金激光熔覆层内部开裂严重,裂纹较多,主要是由于熔覆层生成了大量脆性的NiZr金属间化合物,并且熔覆层中增强相分布不均匀,造成了应力集中,裂纹优先在增强相分布密集的应力集中处萌生,导致熔覆层开裂,严重影响了熔覆层质量,难以满足使用要求。
熔覆层的显微硬度分布如图7所示,熔覆层显微硬度分布不均匀,波动起伏较大,主要是和熔覆层中增强相分布不均匀有关。

Claims (9)

1.一种锆合金表面激光熔覆方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对锆合金表面进行处理,去除其表面氧化皮和油污;
(2)对厚度为10~30μm铜箔进行处理,去除表面油污;
(3)将(1)处理的锆合金放置在激光熔覆工作台上,将(2)处理的铜箔放置于锆合金表面;
(4)采用同步送粉法对锆合金及表面铜箔进行半重叠式激光熔覆;
(5)将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行冷却。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,步骤(4)中,所述激光熔覆中激光功率为0.8~3kW,扫描速度为2~6mm/s,激光熔覆过程连续进行,熔覆道之间的搭接率为40~50%。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,所述步骤(4)中,激光熔覆中使用的合金粉末为镍基合金粉末与碳化钨粉末的混合粉末,其中碳化钨粉的质量分数为5~15%。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,所述步骤(4)中,激光熔覆中激光器上装配两路保护气体导管,保护气体为氩气,气体流量为15~25L/min。
5.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,所述步骤(3)中,还包括将铜箔放置于锆合金表面,并将铜箔两端向下弯折,然后用夹具夹紧铜箔与锆合金基体放置于激光熔覆工作台上。
6.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,所述激光熔覆中,激光光斑为矩形或圆形,其中矩形光斑尺寸为3~8mm×3~8mm,圆形光斑直径为3~10mm。
7.根据权利要求3所述的激光熔覆方法,其特征在于,所述镍基合金粉末与碳化钨粉末的粒径为50~150μm。
8.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,所述步骤(5)中,冷却用石棉将激光熔覆后的锆合金熔覆层进行包裹保温,保温时间为10~12小时。
9.根据权利要求1所述的激光熔覆方法,其特征在于,步骤(2)中,所述铜箔的纯度大于99.9%。
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