專利名稱：一種激光熔覆工藝方法及其合金材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料學(xué)科與激光加工領(lǐng)域，尤其涉及一種激光熔覆工藝方法及其合金材料，特別適用于大容量汽輪機(jī)長(zhǎng)葉片的耐氣蝕層的直接激光熔覆及因氣蝕而失效的葉片修覆，同時(shí)可用于軸頸、高溫高壓閥門端面的修覆。
背景技術(shù)：
近二、三十年汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)表明，提高汽輪機(jī)葉片抗氣蝕性能的最佳途徑是鑲嵌司太立合金片。由于現(xiàn)代能源工業(yè)對(duì)高效節(jié)能的要求，發(fā)電機(jī)組的容量已發(fā)展到300、600、1000兆瓦。此類機(jī)組的葉片長(zhǎng)，線速度很高，對(duì)葉片的強(qiáng)度與抗氣蝕性能要求甚高。而鑲嵌司太立合金片雖能獲得優(yōu)異的抗氣蝕性能，卻難以滿足葉片高速運(yùn)行對(duì)強(qiáng)度、韌性、疲勞等機(jī)械性能的要求。特別是非冶金結(jié)合的鑲嵌層，在葉片運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的疲勞導(dǎo)致剝落，引起機(jī)組災(zāi)難性的事故。因此，迫切需要一種全新的技術(shù)，以滿足現(xiàn)代大容量發(fā)電機(jī)組對(duì)葉片高性能的要求，而激光熔覆具有冶金結(jié)合，能獲得優(yōu)異的結(jié)合力。但是，目前尚無(wú)用于激光熔覆，特別是要求具有一定硬度、強(qiáng)度、延伸率、抗彎曲性能與良好抗氣蝕性能的用于高容量汽輪機(jī)葉片激光熔覆的專用粉末?，F(xiàn)有的粉末或者是抗氣蝕性不佳，或者是機(jī)械性能不合要求，或者是熔覆過(guò)程中產(chǎn)生氣孔、針眼，甚至裂紋，雖然有文獻(xiàn)(汽輪機(jī)末級(jí)葉片司太立6連鑄鑄棒鈷基合金焊接修復(fù)，《電力科學(xué)與工程》2008年第24卷第7 Si, 28 30)介紹葉片的修覆，但需預(yù)熱至250 350°C，工藝控制要求很高，隨后還需680°C的熱處理，難以在實(shí)際中應(yīng)用。究其原因是由于激光功率密度高，其熔覆工藝與常規(guī)的熱噴涂等區(qū)別很大，在實(shí)際部件的熔覆中或者因元素的燒損而形成氣孔、夾渣、夾雜， 并致硬度降低；或者由于基體與熔覆層的膨脹性能不同，出現(xiàn)嚴(yán)重的裂紋而無(wú)法實(shí)際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的之一是提供一種具有耐磨、耐蝕、抗氧化、抗裂紋的性能，適用于激光熔覆抗氣蝕的合金粉末。本發(fā)明的目的之二是提供一種采用上述合金粉末的激光熔覆工藝方法。為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案—種用于激光熔覆的合金材料，其特征在于，為合金粉末，按重量百分比計(jì)其成分如下C :0.85 0.98%，Cr :35 45%，F(xiàn)e :3 5%，Si :0.5 1.0%，W :3.5 5.5%， Mo 1. 0 ~ 1. 5 %, Ni 6 ~ 8%, V 1. 5 ~ 2. 0 %, Ti 1. 0 ~ 2. 0%, B 0. 5 ~ 1. 5 %, Nb 0. 10 0. 50%, Re :0. 5 1. 5%，Co 余量。該激光熔覆用高硬度、抗氣蝕合金粉末，其主要特征是高的含鉻量并添加了 Nb、 Ti、V、RE等元素。配比中高的鉻(Cr)含量是為適應(yīng)高功率密度激光熔覆特點(diǎn)，使其形成適量的碳化鉻并提高固溶于基體中的鉻含量，有利于強(qiáng)化基體和提高抗氣蝕性能。加入少量的B與Si元素，目的是使粉末具有一定的自脫氧、造渣能力，且能“潤(rùn)濕”基材表面；同時(shí)，降低了熔點(diǎn)，又?jǐn)U大了合金固、液相溫度區(qū)間，使合金在熔融過(guò)程中具有良好的流動(dòng)性和對(duì)基材表面良好的潤(rùn)濕性而呈優(yōu)異的冶金結(jié)合。由于該項(xiàng)粉末中添加了 Ti、V、Nb、Re等元素， 特別是Nb元素，提高了 M6C23和MC型碳化物的穩(wěn)定性，使顯微組織的晶粒度更細(xì)化，大幅地提高了硬度，增加了韌性與抗氣蝕性。Re的加入，目的是凈化熔煉時(shí)的液體金屬；在激光熔覆過(guò)程中，亦能起到強(qiáng)烈細(xì)化晶料的作用。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整各元素的配比，該合金粉末的激光熔覆層具有無(wú)氧化、無(wú)夾雜、無(wú)夾渣的優(yōu)點(diǎn)，且抗裂性良好，解決了原有激光熔覆難以獲得無(wú)裂紋且高硬度、抗氣蝕的問(wèn)題。既可用于用于汽輪機(jī)葉片抗氣蝕部位的激光熔覆與修覆；也可用于軸頸、高溫高壓閥門等耐磨部件的激光修覆。作為優(yōu)選，所述用于激光熔覆的合金材料按重量百分比計(jì)其成分如下C 0. 85%, Cr 35%, Fe 5%, Si 0. 5%, W 5. 0%, Mo 1. 2%, Ni 7%, V 1. 5%, Ti 1. 0%, B 0. 5%, Nb :0. 3%, Re :0. 6%, Co 余量。一種激光熔覆工藝方法，采用如上所述的合金材料，在惰性氣體保護(hù)下，經(jīng)激光熔覆在工件表面制備耐氣蝕合金層，再經(jīng)250 40(TC局部回火。本發(fā)明提供的配比的合金粉末，在實(shí)際使用中不需預(yù)熱，可在合適的激光參數(shù)下獲得高抗氣蝕性能的葉片熔覆層，隨后僅需250 400°C的局部去應(yīng)力回火即可。熔覆工藝的適應(yīng)性較寬，重復(fù)性一致，完全可用于大容量、高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)葉片抗氣蝕層的熔覆與失效葉片的修復(fù)。作為優(yōu)選，所述工件為汽輪機(jī)葉片，在激光熔覆之前，先在汽輪機(jī)葉片背弧側(cè)銑槽，再在銑去部位進(jìn)行激光熔覆。這樣可用于替代汽輪機(jī)葉片鑲焊合金片，并且可以保證葉片原有尺寸和表面平整，結(jié)合牢固。作為優(yōu)選，所述葉片背弧側(cè)銑槽深度為0. 5 1. 2mm。合金粉末的制備按常規(guī)方法，即按計(jì)算量加入高熔點(diǎn)元素與各中間合金(鉻鐵、 硼鐵等)于中頻爐中，加熱至1400 1500°C，除渣、精煉后加入稀士 Re (為Ce、La混合稀土)并均勻化；于140(TC左右進(jìn)行氣霧化制粉，粉末干燥后過(guò)篩并保存。本發(fā)明的激光熔覆工藝參數(shù)為所述合金材料粉末粒度為-140+325目，由惰性氣體送粉；采用三維聯(lián)動(dòng)激光熔覆，光斑直徑3 5毫米，功率為1500 2200W，激光掃描速度為5 12mm/S，送粉量為14 20g/min，單道熔覆層可達(dá)0. 5 1. 2毫米，硬度可達(dá)HRC43 57。所述激光由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，波長(zhǎng)為900 1030nm。本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)是在所加合金元素的綜合作用下，熔覆層組織均勻，細(xì)??；無(wú)氣孔、無(wú)夾雜、無(wú)夾渣，葉片熔覆時(shí)不用預(yù)熱，更不會(huì)出現(xiàn)裂紋。具有較高的硬度與良好的抗氣蝕性能，熔覆的部件不需經(jīng)后續(xù)的熱處理，可以直接精加工后使用，激光處理的工藝適應(yīng)性較好，操作簡(jiǎn)單易行。


圖1是實(shí)施例3葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實(shí)施例3葉片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1 一種用于激光熔覆的合金材料，合金元素的化學(xué)組成(重量百分比)為 C 0. 85% ；Cr 35% ；Fe 5% ；Si 0. 5% ；W 5. 0% ；Mo 1. 2% ；Ni 7% ；V 1. 5% ；Ti 1. 0% ； B 0. 5% ；Nb 0. 3% ；Re :0. 6% ；Co 余量。制備方法如下1、計(jì)算鉻鐵、釩鐵、硅鐵、硼鐵等各中間合金的加入量(計(jì)算時(shí)考慮各元素的不同燒損率)。2、稱重后置200°C烘箱內(nèi)烘烤。3、先加入高熔點(diǎn)與磁性元素，再加入易燒損元素。4、熔化后除渣、精煉并加入稀土元素。5、開(kāi)啟水、氣路，控制壓力與液位。6、放置經(jīng)預(yù)熱的中間漏包于噴嘴上，傾倒熔爐內(nèi)合金液于中間漏包。7、噴粉完成后，出粉并用酒精除去水份，烘干后過(guò)篩密封待用。該配比的合金粉末經(jīng)激光熔覆制備的熔覆層的硬度HRC43 48，除了應(yīng)用在汽輪機(jī)葉片外，還可以適用于軸頸、閥門端面等修覆，具有同等性能效果。實(shí)施例2 一種用于激光熔覆的合金材料，合金元素的化學(xué)組成(重量百分比)為C:
0.95%, Cr 42%, Fe 3%, Si 1. 2%, W 5. 5%, Mo 1. 5%, Ni 6%, V 1. 8%, Ti 2. 0%, B
1.2%, Nb 0. 5%, Re :1. 0%, Co 余量。制備方法同實(shí)施例1。該配比的合金粉末經(jīng)激光熔覆制備的熔覆層的硬度HRC52 57，除了應(yīng)用在汽輪機(jī)葉片外，還可以適用于軸頸、閥門端面等修覆，具有同等性能效果。實(shí)施例3 —種替代汽輪機(jī)葉片鑲嵌合金片的激光熔覆工藝方法，包括如下步驟1、如圖1所示，葉片1背弧(包括原有R邊)銑去Imm形成銑槽2 ；背弧側(cè)銑去該處厚度的1/5，但總深度不超過(guò)Imm ；可用成型刀由數(shù)控銑床一步完成。2、按銑去部位的尺寸編制機(jī)械人運(yùn)動(dòng)規(guī)跡，熔覆編程的搭接率為55%。3、采用光纖或半導(dǎo)體激光器，選用實(shí)施例1和實(shí)施例2的粉末，其粒度為-140+325 目(顆粒低于140目，高于325目，顆粒粒徑在這范圍內(nèi))，調(diào)送粉量至14g/min，由惰性氣體送粉；光斑直徑5毫米，調(diào)整功率至1800W，激光掃描速度為10mm/S，單道熔覆厚度為1. O 毫米。4、葉片熔覆部位局部去應(yīng)力回火，參數(shù)為250°C /3小時(shí)空冷。5、由拋光機(jī)拋去突出多出部分，檢驗(yàn)后即可裝機(jī)。如圖2所示，此時(shí)，葉片1的背弧側(cè)熔覆形成耐氣蝕合金的激光熔覆層3，并且該激光熔覆層3也形成葉片的R邊4。下面為試樣測(cè)試結(jié)果
HRC冷彎角(試樣厚度 2mm)mg/7.5小時(shí)氣蝕總失重模擬氣蝕備注上述試樣1為采用實(shí)施例1的合金粉末并采用上述激光熔覆工藝制備的葉片；上述試樣2為采用實(shí)施例2的合金粉末并采用上述激光熔覆工藝制備的葉片；鑲嵌合金葉片成品為依照現(xiàn)有技術(shù)制備的葉片。上述葉片的基體材料均為17-4PH。上述冷彎角測(cè)試條件為各試樣經(jīng)線切割并經(jīng)磨床磨削成尺寸為長(zhǎng)60mm、寬10mm、厚2mm的片狀，進(jìn)行常溫下彎
曲ο由上述試驗(yàn)可知，采用本發(fā)明的合金粉末，經(jīng)激光熔覆在汽輪機(jī)葉片上獲得了一毫米左右的抗氣蝕層。該合金熔覆層的抗氣蝕性能提高了約兩至三倍，并且具有較高的硬度與韌性，綜合性能優(yōu)異，熔覆工藝簡(jiǎn)單可靠，完全可取代葉片傳統(tǒng)的合金片鑲嵌方法，克服了合金片鑲嵌強(qiáng)度不夠而脫落的危險(xiǎn)，大幅延長(zhǎng)了葉片的使用壽命與可靠性。同時(shí)可用于軸頸、高溫高壓閥門端面的修覆。
權(quán)利要求
1.一種用于激光熔覆的合金材料，其特征在于，為合金粉末，按重量百分比計(jì)其成分如下C 0. 85 0. 98%, Cr 35 45%，F(xiàn)e 3 5%，Si :0. 5 1. 0%,ff 3. 5 5. 5%,Mo 1. 0 1. 5%，Ni :6 8%，V :1. 5 2. 0%，Ti :1. 0 2. 0%，B :0. 5 1. 5%，Nb :0. 10 0.50%, Re 0. 5 1. 5%, Co 余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于激光熔覆的合金材料，其特征在于，按重量百分比計(jì)其成分如下C 0. 85%, Cr 35%, Fe 5%, Si 0. 5%, W 5. 0%, Mo 1. 2%, Ni 7%, V 1. 5%, Ti 1.0%, B 0. 5%, Nb 0. 3%, Re :0. 6%, Co 余量。
3.一種激光熔覆工藝方法，其特征在于，采用如權(quán)利要求1或2所述的合金材料，在惰性氣體保護(hù)下，經(jīng)激光熔覆在工件表面制備耐氣蝕合金層，再經(jīng)250 40(TC局部回火。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光熔覆工藝方法，其特征在于，所述工件為汽輪機(jī)葉片，在激光熔覆之前，先在汽輪機(jī)葉片背弧側(cè)銑槽，再在銑去部位進(jìn)行激光熔覆。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光熔覆工藝方法，其特征在于，所述葉片背弧側(cè)銑槽深度為0. 5 1. 2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種激光熔覆工藝方法，其特征在于，所述激光熔覆工藝參數(shù)為所述合金材料粉末粒度為-140+325目，由惰性氣體送粉；采用三維聯(lián)動(dòng)激光熔覆，光斑直徑3 5毫米，功率為1500 2200W，激光掃描速度為5 12mm/S，送粉量為14 20g/min.
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種激光熔覆工藝方法，其特征在于，所述激光由半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生，波長(zhǎng)為900 1030nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于激光熔覆的合金材料，為合金粉末，按重量百分比計(jì)其成分如下C0.85～0.98％，Cr35～45％，F(xiàn)e3～5％，Si0.5～1.0％，W3.5～5.5％，Mo1.0～1.5％，Ni6～8％，V1.5～2.0％，Ti1.0～2.0％，B0.5～1.5％，Nb0.10～0.50％，Re0.5～1.5％，Co余量。還公開(kāi)了一種采用如上所述合金材料的激光熔覆工藝方法。本技術(shù)方案在所加合金元素的綜合作用下，熔覆層組織均勻，細(xì)?。粺o(wú)氣孔、無(wú)夾雜、無(wú)夾渣，葉片熔覆時(shí)不用預(yù)熱，更不會(huì)出現(xiàn)裂紋。具有較高的硬度與良好的抗氣蝕性能，熔覆的部件不需經(jīng)后續(xù)的熱處理，可以直接精加工后使用，激光處理的工藝適應(yīng)性較好，操作簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)B23K26/34GK102168210SQ20111008643
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者姚建華, 樓程華 申請(qǐng)人:杭州博華激光技術(shù)有限公司