激光功率对熔覆燃气轮机叶轮、叶片涂层的形貌组织影响
发布时间：2020-12-21 09:12
激光熔覆能改善基体材料表面的耐磨、耐热和耐腐蚀等力学及化学性能,可以延长工件的使用寿命,节约经济成本。现阶段对于燃气轮机叶轮、叶片的修复工艺有很多,各有优缺点。从工程应用的角度考虑,研究了激光熔覆功率对熔覆层表面形貌及稀释率的影响,并分析了其金相组织。实验结果表明,在只考虑激光功率,而其它工艺参数不变的情况下,熔覆层宽度和高度随激光功率的增大而增大,稀释率随激光功率的增大亦增大,并且当能量密度在8.49 kJ/cm~2～10.62 kJ/cm~2时,金相组织致密,无裂纹、气孔等缺陷,可应用于实际工件修复中。
【文章来源】：应用激光. 2020年01期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
Ni60合金粉末SEM图[6]
表3为经过腐蚀后,熔覆层横截面形貌,由表3可以看出,不同能量密度下熔覆层截面形貌有较大差异,如图6(b)所示,由于基材前端薄后端厚,熔深主要形成于基材较薄处,可以从图7看到,由于能量密度的增加,熔深是逐渐增加的,并且熔深只在熔覆第一道时才有,由表3可知当能量密度为11.32 kJ/cm2,12.03 kJ/cm2,12.74kJ/cm2时,基材被熔透,这是因为,当熔覆第一道时,由于此时粉末吸收激光束的能量而融化,并将热量全部传递给基体,使得基体的热输入更多,而继续熔覆时,由于搭接率为50%,粉末与基体只有1/2是接触的,从而在吸收激光束能量后只能传递部分热量给基体,导致基体的热输入不够多,故熔深才会只成型于第一道熔覆过程中。进一步分析图7可知,当能量密度为7.08 kJ/cm2时,熔深为0,表明熔覆层与基材结合程度相当小;当能量密度从10.62 kJ/cm2增加到11.32 kJ/cm2时,熔深发生了突变,这是由于当能量密度为11.32 kJ/cm2时热输入过大,基材被熔透。
激光熔覆工艺通常分为预置式和同步式两种模式,预置式即熔覆前将合金粉末均匀铺在处理过的基体表面,然后再出激光将粉末熔化从而使基体和粉末形成冶金结合,但该方法更适用于对基体进行增材或尺寸恢复,对需要修复的零件则不太适合,因为铺粉需要人工操作,没办法保证每次的铺粉量都相同且均匀,对熔覆层的表面形貌不能定量的控制且质量不稳定。对于本实验的燃气轮机叶轮、叶片来说,考虑到实际应用,采用同步式送粉的工艺效果更好,该工艺能很好的对基体进行修复,并且可以通过送粉量来控制熔覆层的表面形貌,同步式送粉的示意图如图4所示,从熔覆头喷出的合金粉末呈倒锥形相交于激光的焦点处,即粉末焦点与激光焦点必须在同一处,并且粉末与激光同时从熔覆头喷出。事实上,在实际应用中需要先出粉末再出激光,这样做的目的是在出光前使缺陷处积累足够多的粉末,以便能够使缺陷处的熔覆层达到一定的厚度,从而表面形貌达到要求。本实验采用同步送粉的方法,事先在离线编程软件上编写好熔覆路径,试验前先将Ni60合金粉末在200 ℃下烘干5 h,以去除粉末中的水分,能有效的防止熔覆过程中裂纹的产生。为了模拟真实的工件,直接选取燃气轮机的叶轮叶片进行试验,分别在9个涡轮叶片上进行平板熔覆试验,探究其最佳的工艺参数, 再对叶轮、叶片的缺陷进行修复。在此需要说明的是,选用的真实叶片厚度是由厚变薄的。由于激光熔覆是一个复杂的工艺过程,激光功率、扫描速度、离焦量、光斑直径、搭接率、保护气流量、送粉速度等工艺参数的选取与搭配,对熔覆质量和表面形貌起着至关重要的作用。由于激光功率对本实验的熔覆层组织的影响最大,同时为了探究激光功率对其的影响,故只改变激光功率,其他工艺参数不变,实验得到9组样件,激光功率分别从500 W～900 W,对应的能量密度为7.08 kJ/cm2～12.74 kJ/cm2,每间隔50 W逐渐增加激光功率,扫描速度6 mm/s,光斑直径3 mm,送粉速率3 r/min,送粉气流量700 L/min,采用多道搭接的方法,如图5所示,搭接率50%,搭接6次,氩气(99.99%)保护,熔覆完成后如图6(a)所示,图6(b)为熔覆层横截面图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小模数齿轮齿面双道激光熔覆工艺[J]. 刘干成,黄博. 中国激光. 2019(10)
[2]工艺参数对IC10高温合金激光熔覆层形貌的影响[J]. 邢彬,常保华,都东. 焊接学报. 2015(07)
[3]先进的燃气轮机叶片激光修复技术[J]. 王茂才,吴维. 燃气轮机技术. 2001(04)
[4]燃气轮机热部件的修复[J]. 尹瑜玲,何正浩. 燃气轮机技术. 1999(01)
硕士论文
[1]双道激光加工小模数齿轮齿面镍基合金涂层的应用研究[D]. 刘干成.湖北工业大学 2019
[2]小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究[D]. 鲍志军.上海海事大学 2007
本文编号：2929578
【文章来源】：应用激光. 2020年01期 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
Ni60合金粉末SEM图[6]
表3为经过腐蚀后,熔覆层横截面形貌,由表3可以看出,不同能量密度下熔覆层截面形貌有较大差异,如图6(b)所示,由于基材前端薄后端厚,熔深主要形成于基材较薄处,可以从图7看到,由于能量密度的增加,熔深是逐渐增加的,并且熔深只在熔覆第一道时才有,由表3可知当能量密度为11.32 kJ/cm2,12.03 kJ/cm2,12.74kJ/cm2时,基材被熔透,这是因为,当熔覆第一道时,由于此时粉末吸收激光束的能量而融化,并将热量全部传递给基体,使得基体的热输入更多,而继续熔覆时,由于搭接率为50%,粉末与基体只有1/2是接触的,从而在吸收激光束能量后只能传递部分热量给基体,导致基体的热输入不够多,故熔深才会只成型于第一道熔覆过程中。进一步分析图7可知,当能量密度为7.08 kJ/cm2时,熔深为0,表明熔覆层与基材结合程度相当小;当能量密度从10.62 kJ/cm2增加到11.32 kJ/cm2时,熔深发生了突变,这是由于当能量密度为11.32 kJ/cm2时热输入过大,基材被熔透。
激光熔覆工艺通常分为预置式和同步式两种模式,预置式即熔覆前将合金粉末均匀铺在处理过的基体表面,然后再出激光将粉末熔化从而使基体和粉末形成冶金结合,但该方法更适用于对基体进行增材或尺寸恢复,对需要修复的零件则不太适合,因为铺粉需要人工操作,没办法保证每次的铺粉量都相同且均匀,对熔覆层的表面形貌不能定量的控制且质量不稳定。对于本实验的燃气轮机叶轮、叶片来说,考虑到实际应用,采用同步式送粉的工艺效果更好,该工艺能很好的对基体进行修复,并且可以通过送粉量来控制熔覆层的表面形貌,同步式送粉的示意图如图4所示,从熔覆头喷出的合金粉末呈倒锥形相交于激光的焦点处,即粉末焦点与激光焦点必须在同一处,并且粉末与激光同时从熔覆头喷出。事实上,在实际应用中需要先出粉末再出激光,这样做的目的是在出光前使缺陷处积累足够多的粉末,以便能够使缺陷处的熔覆层达到一定的厚度,从而表面形貌达到要求。本实验采用同步送粉的方法,事先在离线编程软件上编写好熔覆路径,试验前先将Ni60合金粉末在200 ℃下烘干5 h,以去除粉末中的水分,能有效的防止熔覆过程中裂纹的产生。为了模拟真实的工件,直接选取燃气轮机的叶轮叶片进行试验,分别在9个涡轮叶片上进行平板熔覆试验,探究其最佳的工艺参数, 再对叶轮、叶片的缺陷进行修复。在此需要说明的是,选用的真实叶片厚度是由厚变薄的。由于激光熔覆是一个复杂的工艺过程,激光功率、扫描速度、离焦量、光斑直径、搭接率、保护气流量、送粉速度等工艺参数的选取与搭配,对熔覆质量和表面形貌起着至关重要的作用。由于激光功率对本实验的熔覆层组织的影响最大,同时为了探究激光功率对其的影响,故只改变激光功率,其他工艺参数不变,实验得到9组样件,激光功率分别从500 W～900 W,对应的能量密度为7.08 kJ/cm2～12.74 kJ/cm2,每间隔50 W逐渐增加激光功率,扫描速度6 mm/s,光斑直径3 mm,送粉速率3 r/min,送粉气流量700 L/min,采用多道搭接的方法,如图5所示,搭接率50%,搭接6次,氩气(99.99%)保护,熔覆完成后如图6(a)所示,图6(b)为熔覆层横截面图。
【参考文献】：
期刊论文
[1]小模数齿轮齿面双道激光熔覆工艺[J]. 刘干成,黄博. 中国激光. 2019(10)
[2]工艺参数对IC10高温合金激光熔覆层形貌的影响[J]. 邢彬,常保华,都东. 焊接学报. 2015(07)
[3]先进的燃气轮机叶片激光修复技术[J]. 王茂才,吴维. 燃气轮机技术. 2001(04)
[4]燃气轮机热部件的修复[J]. 尹瑜玲,何正浩. 燃气轮机技术. 1999(01)
硕士论文
[1]双道激光加工小模数齿轮齿面镍基合金涂层的应用研究[D]. 刘干成.湖北工业大学 2019
[2]小模数齿轮激光熔覆修复工艺试验研究[D]. 鲍志军.上海海事大学 2007
本文编号：2929578
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