激光熔覆修復軸頸過程中氣孔與裂紋研究

楊文甫，李曉燕

（1.太原理工大學材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.大唐太原第二熱電廠，山西 太原 030041）

0 引 言

熱電廠汽輪機、發(fā)電機、泵與風機等重要轉動設備常因轉子和軸承潤滑不良,或油系統(tǒng)中存在的顆粒進入軸承出現(xiàn)磨粒磨損,導致軸頸表面磨損失效,對電廠的安全運行和經(jīng)濟效益造成很大影響[1]。對損傷零件進行修復不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟和時間損失,還可以提高資源的利用率，符合國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展要求[2]。軸頸磨損的修復傳統(tǒng)上采用車削、熱噴涂、電刷鍍、脈沖閃焊、微弧焊等方法，但普遍存在修復后軸徑減小必須配非標軸瓦,或者涂層結合強度低、應力大、容易脫落、大面積磨損修復難度大等問題[3]。而激光熔覆技術對零件表面修復效果明顯優(yōu)于上述傳統(tǒng)工藝,已在國內(nèi)外得到初步實際應用[4]。激光熔覆過程的實質(zhì)是高能激光束和金屬粉末以及基材相互作用時,粉末和基材快速熔化、快速冷卻的過程。因為這一過程時間很短,遠離相變平衡態(tài),過熱度和過冷度遠大于常規(guī)熱處理,可以使材料在激光輻照區(qū)中形成晶粒高度細化的組織結構、較小的變形以及熱影響區(qū)很小。由于熔覆成形的金屬制件可得到用常規(guī)加工方法很難獲得極高的表面硬度和耐磨性,因此在工業(yè)上有廣泛的應用前景[5-7]。雖然激光熔覆技術制備鎳基涂層取得了一定進展,已成為近年來的研究熱點和研究前沿，但對于熔覆材料的選擇以及裂紋和氣孔的控制仍有待于進行深入細致的研究[8]。

激光熔覆修復轉子軸頸磨損多采用Ni基合金添加WC、TiC等難熔金屬碳化物硬質(zhì)相來增強表面硬度，改善熔覆層耐磨性，但熔覆層常出現(xiàn)氣孔、裂紋、未熔合等缺陷。氣孔會降低熔覆層力學性能,產(chǎn)生應力集中,還可能促成裂紋；而熔覆層裂紋對使用性能危害最大,從而影響熔覆層的綜合性能。

采用激光熔覆技術,對發(fā)電廠轉動設備轉子軸頸磨損進行了修復試驗研究,對熔覆層氣孔和裂紋的形成機理和類型進行了分析總結,并提出了減少和控制氣孔、裂紋的措施,從而有效改善激光熔覆層組織,提高了軸頸修復質(zhì)量。

1 試驗條件與方法

激光熔覆修復試驗對象為熱電廠轉動設備轉子軸頸,其材料為35CrMo、35CrMoV、40CrNi等合金結構鋼。軸頸直徑 85~ 180 mm,磨損溝槽深度0.2~1.5 mm；寬度0.2~2 mm。熔覆材料為Ni74CrSiB、Ni65合金粉末、Ni60合金粉末，以及添加的WC、TiC等硬質(zhì)相粉末。采用DL-HL-T5000型、5 kW、橫流CO2激光器,同步自動送粉多道搭接熔覆,高純度氬氣保護。激光熔覆功率為1.5~4 kW,掃描速度為180~450 mm/min，光斑直徑為3~5 mm。激光熔覆前砂紙打磨,丙酮清污，空氣中置干后預涂黑體涂料,以增強熔覆過程中軸頸基體對激光的吸收率。

2 試驗結果與分析

2.1 氣孔類型和產(chǎn)生機理

激光熔覆軸頸修復過程中,雖然采用高純度氬氣施加同步保護防止氧化,但氣孔現(xiàn)象依然存在。

氣體主要來源是C與O反應生成CO和CO2。其中C的來源是熔覆材料Ni基合金中添加的WC、TiC等難熔金屬碳化物硬質(zhì)相，在激光高溫作用下熱穩(wěn)定性差,部分發(fā)生分解,形成游離C;而O的來源可能是熔覆材料粉末受潮成為氧的來源，也可能是氬氣保護的熔池發(fā)生劇烈的物理化學變化,熔池周圍氣流劇烈擾動,很難保證保護氣體始終籠罩熔池周圍,而一旦少量空氣卷入并接觸熔池,O就進入熔池。這樣，游離的C就會與O結合生成CO和CO2，在快速凝固前來不及逸出而形成氣孔。

氣體的其他來源,Liu等[9]認為孔洞是保護氣在熔池中的過飽和,材料的不充足而導致收縮以及基材本身的氣孔等原因造成。這種觀點理論值得實踐借鑒。

如圖1所示,軸頸熔覆層中的氣孔從形貌上分,可分為不規(guī)則形、圓球形、微小密集形三大類。所有這三類氣孔都會在不同程度上導致熔覆層結構疏松,從而降低其強度,甚至引發(fā)熔覆層脫落；同時氣孔也是引起應力集中的重要因素,成為導致熔覆層開裂現(xiàn)象之誘因。圖1（a）為不規(guī)則形氣孔,已經(jīng)匯聚形成了大型空穴。其氣孔氣體來源有保護氣在熔池中的過飽和的因素;也有可能是保護氣體流速過大,劇烈紊流卷入熔池后在冷凝前來不及逸出而形成。圖1（b）屬于典型的圓球形氣孔,破壞力相對較小,一般為WC高溫分解形成游離C與氧結合而形成。圖1（c）為微小密集形氣孔,是游離碳、WC高溫分解C、或基材中含有的C,與氧結合形成的碳氧化物氣體,由于激光參數(shù)選擇不合理等原因引起熔體流動性差,導致碳氧化物微小氣團逸出速度小,而凝固速度又比較快,氣體來不及向上逸出,就形成這種類型的氣孔。

圖1 熔覆層中三種典型氣孔(10 0×)

2.2 氣孔的減少和控制措施

通過抑制WC的分解,可以減少熔池內(nèi)C含量,烘干熔覆合金粉末,減少氧化,從而減小熔覆層內(nèi)形成CO和CO2氣孔。李強等人[10]通過加入適當比例的In2O3后能夠抑制WC的分解,從而減少熔池內(nèi)C的含量,減小了熔池內(nèi)形成CO和CO2的可能性,實踐中完全可以借鑒用來減少WC高溫分解。

在軸頸修復中,通過調(diào)整激光工藝參數(shù)可以促進和改善熔體的流動性,有利于游離的C與氧氣結合生成CO和CO2逸出;尤其要調(diào)節(jié)控制惰性保護氣的氣流參數(shù),對熔池實現(xiàn)良好保護同時,盡量減少卷入熔池現(xiàn)象,可以在一定程度上減少熔覆層中氣孔的產(chǎn)生。本文實踐嘗試采用外加一定頻率和振幅的機械震動作用于熔覆軸頸基體處,對熔池中液態(tài)金屬進行激蕩,可以促進溶體中氣泡的逸出,對減少熔覆層氣孔有很好的作用。

另外，在實踐中保持最佳工藝參數(shù)范圍內(nèi),可以適當減小激光掃描速度,加大功率密度,以增強線能量。這樣，一方面可略微延長熔池壽命,減慢冷凝速度,從而使熔池中氣體有足夠時間逸出而減少氣孔現(xiàn)象；另外一方面又避免了熱輸入量太大造成元素燒損、晶粒變大等現(xiàn)象。

2.3 裂紋的類型和產(chǎn)生機理

裂紋的形成因素很多,但都可以歸結為應力的作用。應力包括熱應力和相變應力。激光熔覆過程升溫很快、溫度高,高能激光束流熱量的輸入導致熔覆層與基體之間產(chǎn)生很大溫度梯度；激光束移離熔池后,熔覆層即快速冷凝,冷凝時溫度梯度導致激光熔凝層內(nèi)產(chǎn)生拉應力,當拉應力大于該溫度下材料強度極限時,熔覆層出現(xiàn)裂紋。

轉動設備軸頸熔覆具有其獨特的熱力學特點,一方面熔層的大部分熱量是由基體傳走的,轉動設備的軸頸體積都比較大,熱容量也大,熔覆層向基體傳遞的熱量多,熔覆層冷卻速度比薄件更快,出現(xiàn)裂紋的可能性更大；但另一方面轉子軸頸外形為圓柱狀,對稱性好,熔覆時的熱應力分布均勻,一定程度上有助于減小開裂幾率。

裂紋產(chǎn)生的部位總結為枝晶界、氣孔和夾雜物等薄弱環(huán)節(jié)處[11]。軸頸熔覆層中裂紋從尺寸大小上可分為宏觀裂紋和微觀裂紋兩種。在激光熔覆過程中常伴隨有清脆細微的斷裂聲,這是出現(xiàn)微小裂紋時金屬斷裂發(fā)出的聲音。按照產(chǎn)生部位區(qū)分,軸頸熔覆裂紋大致可以分為覆層內(nèi)裂紋、搭接處裂紋、界面裂紋三種。

圖2 軸頸熔覆層裂紋(10 0×)

如圖2所示，（a）為覆層內(nèi)裂紋,這種裂紋是激光熔覆后冷凝時溫度梯度導致熔凝層內(nèi)產(chǎn)生拉應力而形成的。（b）為搭接處裂紋,是在前后兩道覆層之間搭接區(qū)形成的裂紋,搭接區(qū)裂紋多由氣孔引起,在應力作用下延伸開裂形成宏觀裂紋。另外快速冷凝時熔層中有些氧化物、硫化物或者雜質(zhì)來不及上升逸出,也是引起搭接處裂紋的源頭。（c）為界面裂紋延伸擴展導致整個熔覆層的開裂,裂紋源頭為基體微小裂紋,這種微小裂紋是由基體與熔覆材料熱膨脹系數(shù)不同或者熔化冷凝時固態(tài)相變引起的。隨著冷凝過程中拉應力作用,有些微小裂紋最終擴展延伸發(fā)展成貫穿整個熔覆層的宏觀裂紋。

2.4 裂紋的減少和控制措施

只有減少拉應力,才能避免熔覆層開裂。氣孔和夾雜處應力易集中,減少和控制氣孔數(shù)量;減少雜質(zhì)等可以明顯減少裂紋出現(xiàn)。另外優(yōu)化工藝參數(shù),控制好能量密度和作用時間,可以減少裂紋出現(xiàn)。前述延長熔池壽命,減慢冷凝速度,使熔池中氣體及時逸出減少氣孔對減小開裂也有幫助。

激光熔覆后的二次掃描重熔技術在理論上可以均勻組織成分,有利于氧化物、硫化物和雜質(zhì)的上浮逸出,減少裂紋出現(xiàn)的幾率,但實踐中發(fā)現(xiàn),這樣做效果往往不理想,在搭接處會出現(xiàn)更多的裂紋,尤其是貫穿熔覆層的大裂紋,采用二次掃描重熔毫無作用。

采取措施降低冷凝時溫度梯度,可以在一定程度上減少裂紋的產(chǎn)生。本文對軸頸基體進行氧乙炔火焰預熱和熔覆后硅酸鹽纖維層保溫緩冷處理,氧乙炔火焰預熱可以降低溫度梯度,硅酸鹽纖維層保溫緩冷處理可以減小熔覆層內(nèi)部分殘余應力。但是，保溫溫度不宜過高,時間不宜太長，否則會導致覆層晶粒組織粗大、硬度值降低。

3 結 論

氣孔的減少和控制，可以通過減少氣體的來源，如烘干熔覆合金粉末、減少氧化、改善熔體的流動性、略微延長熔池壽命來實現(xiàn)。通過熔覆材料中添加In2O3抑制WC的分解;促進和改善熔體的流動性;調(diào)節(jié)工藝參數(shù)略微延長熔池壽命,減慢冷凝速度有利于氣體逸出,都可以在一定程度上減少和控制氣孔出現(xiàn)。外加機械振動激蕩熔池液態(tài)金屬可以促進氣泡逸出,大大減少熔覆層氣孔。

裂紋的減少和控制，可以通過優(yōu)化工藝、減少和控制氣孔數(shù)量、減少雜質(zhì)等措施來實現(xiàn)。熔覆淺表層裂紋可以采用重熔處理。預熱緩冷、降低溫度梯度、減少殘余應力可在一定程度上控制和減少裂紋。

氣孔和裂紋很難完全避免,但采取措施可以減少和控制。后續(xù)將進一步試驗研究外加機械震動以排除熔體氣體;研究完善預熱緩冷方法以減少裂紋,最大程度減少和控制熔覆層氣孔和裂紋現(xiàn)象,實現(xiàn)電力轉動設備軸頸的高質(zhì)量修復。

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