基于汽轮机叶片材料17-4PH的激光修复与强化技术研究

发布时间：2020-03-28 12:48

【摘要】：作为修复与再制造领域最具优势的技术之一,激光熔覆修复技术利用高能激光束使熔覆材料与待修复基体形成致密的冶金结合,从而实现零件几何尺寸的恢复及组织性能的改善与强化。本文以汽轮机末级叶片的损伤防护为背景,以17-4PH马氏体沉淀硬化不锈钢材料为研究对象,开展了激光同质修复工艺技术研究。通过理论分析与实验验证得到最佳修复质量的工艺参数,对最佳工艺下得到的实际叶片修复层进行性能检测并与基体材料对比,评价激光熔覆修复质量。进一步采取固溶时效处理与WC颗粒激光合金化两种方式改善和提高17-4PH的修复层的组织和性能,探究固溶时效温度及WC含量对涂层组织性能的影响机制。研究表明,激光熔覆17-4PH最优修复工艺参数组合为:激光功率1500W,扫描速度5mm/s,送粉速度14g/min,搭接率33%,分层厚度1mm。通过计算机辅助制造软件LMDCAM2进行模型分层与路径规划,选择Unidirectional熔覆方式(“Z”字形熔覆)并通过层间反向扫描进行补偿,可实现受损叶片的无宏观缺陷修复。修复层组织主要由大量板条马氏体及少量残余奥氏体组成。由于激光熔覆过程具有快速加热与冷却的特点,使得修复层的组织较为细密,平均显微硬度值达到342.1HV_(0.5)高于基体材料的322.6HV_(0.5)。修复层的平均抗拉强度为963.35MPa,略高于基体材料,但塑性低于基材。修复层的耐磨性相比于基材提高25%且耐蚀性、抗水蚀性能均优于基体材料,表明激光修复后的修复层基本满足叶片的表面服役性能要求。对修复层进行三种时效温度下的固溶时效处理,研究表明:1040℃×1h固溶处理+480℃×4h时效处理后的组织主要由白色的淬火马氏体和粗针状的回火马氏体组成。1040℃×1h固溶处理+550℃×4h时效处理和1040℃×1h固溶处理+620℃×4h时效处理后的组织均主要为保持马氏体位向的索氏体组织。480℃时效处理后的修复层具有最高的硬度(平均硬度达到430.4HV_(0.5))和最优的耐磨性(是未固溶时效处理修复层的1.56倍)。550℃时效处理后修复层拥有最好的耐蚀性,并且电化学极化曲线中的钝化区最为明显。480℃时效处理后的修复层具有最好的抗水蚀性能,三维形貌检测及软件计算表明480℃时效处理后修复层的抗水蚀性能可提高60%。加入30 wt%WC后,涂层的物相由大量的γ-Fe相及少量的α-Fe、M_7C_3相(M=Cr、Fe等元素)、W_2C相、WC相、Fe_3W_3C相组成。加入30wt%WC后涂层的平均硬度达到519.5HV_(0.5),约为基体材料(322.6 HV_(0.5))的1.6倍。激光熔覆17-4PH涂层的抗水蚀性能随着加入WC含量的增加而逐渐提高。三维形貌测试结果表明加入30wt%WC后涂层的抗水蚀性能提升2.1倍。WC颗粒水蚀后颗粒内部的层片状结构在水滴冲击的较大应力作用下出现一定程度地剥落并形成凹坑。弥散分布的WC颗粒能够抑制切向水流对材料表面带来的塑性变形,减小外部水蚀区域的破坏面积。
【图文】：

图 1.1 叶片疲劳断裂形貌[6]图 1.2 低压末级叶片进汽边的裂纹分布[8]汽轮机末级叶片的疲劳断裂按照断裂性质可以分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳指的是叶片在运行过程中承受循环次数大于 103的较低应力所发生的疲劳方式。低周疲劳指的是叶片在运行过程中由于受到较大的激振力与较大的应力在经历较低振动次数便发生疲劳断裂的疲劳方式。这两种疲劳方式的区别在于：塑性应变量的不同。低周疲劳时塑性应变占主导地位，也叫做应变疲劳，而高周疲劳则是弹性应变占主导地位。根据实际情况调研发现，电厂汽轮机运行过程中的叶片断裂现象大部分都是由于高周疲劳所引起的，这种情况在低压转子的末级、次末级叶片中表现的更为明显。常见的P 型枞树型叶根的末级叶片在设计时存在静应力过高的问题，使其固有频率无法完全避开工作转速下的共振响应区域，使得在叶根与轮槽长期接触磨损的位置极易产生疲劳裂纹。在叶片叶根的第一道齿形处，由于局部应力集中会引起持续的损伤累积，在长期运行的状态下发生裂纹扩展，并最终导致叶片断裂。

图 1.1 叶片疲劳断裂形貌[6]图 1.2 低压末级叶片进汽边的裂纹分布[8]汽轮机末级叶片的疲劳断裂按照断裂性质可以分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳指的是叶片在运行过程中承受循环次数大于 103的较低应力所发生的疲劳方式。低周疲劳指的是叶片在运行过程中由于受到较大的激振力与较大的应力在经历较低振动次数便发生疲劳断裂的疲劳方式。这两种疲劳方式的区别在于：塑性应变量的不同。低周疲劳时塑性应变占主导地位，也叫做应变疲劳，而高周疲劳则是弹性应变占主导地位。根据实际情况调研发现，电厂汽轮机运行过程中的叶片断裂现象大部分都是由于高周疲劳所引起的，这种情况在低压转子的末级、次末级叶片中表现的更为明显。常见的P 型枞树型叶根的末级叶片在设计时存在静应力过高的问题，，使其固有频率无法完全避开工作转速下的共振响应区域，使得在叶根与轮槽长期接触磨损的位置极易产生疲劳裂纹。在叶片叶根的第一道齿形处，由于局部应力集中会引起持续的损伤累积，在长期运行的状态下发生裂纹扩展，并最终导致叶片断裂。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TK268

【参考文献】

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本文编号：2604470