激光再制造汽輪機轉子的力學性能研究

郭士銳，董 剛，葉 鐘，姚建華

（1.浙江工業大學激光加工技術工程研究中心，杭州310014；2.杭州汽輪機股份有限公司，杭州310022）

激光熔覆綠色再制造技術是一種新型的先進修復技術，它不僅能使損傷的零部件恢復外形尺寸，還能使其性能達到甚至超過新品的水平［1］.該技術相對于其他傳統工藝有較多優點，例如激光作用時間短，修復層稀釋率低，修復區熱影響區小，工件變形??；冷卻速度快，可以細化晶粒，產生亞穩相、非晶相和超彌散相等；修復層與基體冶金結合，強度高；修復過程可控性好，便于實現自動化；對環境無污染等［2-4］.

由于在加工過程中，鐵屑等雜質殘存在潤滑油系統中，汽輪機轉子的軸頸特別容易磨損［5］.Tabernero等［6-7］對渦輪機轉子和葉片激光修復進行了研究，發現修復后的涂層性能優于基體.Richter等［7］提出可將激光熔覆綠色再制造技術用于轉子的修復.然而，目前對激光再制造的研究一般只涉及其微觀組織和硬度等性能，很少有針對其機械力學性能的研究.

筆者以汽輪機轉子為研究對象，使用大功率半導體激光器對28CrMoNiV 基體進行激光再制造，在室溫下對激光再制造層與基體的復合材料進行拉伸、沖擊和彎曲試驗，研究其抗拉性能、抗沖擊性能和抗彎曲性能，并分析其斷口形貌與強化機理，為其機械工業應用提供參考依據.

1 試驗材料與方法

1.1 材料

試驗基體采用汽輪機轉子28CrMoNiV 材料，其化學成分見表1.

表1 28CrMoNiV材料的化學成分Tab.1 Chemical composition of steel 28CrMoNiV %

針對汽輪機轉子的要求，在保證汽輪機轉子修復后的綜合跳動（TIR）控制在6.35μm 以內的前提下，確定選用鐵基粉末進行激光再制造試驗.自行研制的鐵基自熔性合金粉末粒度為45～109μm，其具體的化學成分見表2.

表2 鐵基合金粉末的化學成分Tab.2 Chemical composition of the Fe-based alloy powder %

1.2 方法

首先將鐵基粉末加熱到120℃烘干2h，然后將28CrMoNiV 基體表面用丙酮清理干凈再進行激光再制造.采用德國LDF400-2000型大功率半導體柔性光纖耦合激光器，其輸出波長為900～1 030nm，最高輸出功率為2 000 W；采用自行研制的具有閉環反饋流量控制的同軸送粉裝置，其輸送范圍為2～50g／min，送粉載氣為氬氣；運動裝置采用IRB2400／16型6自由度機器人.試驗的主要工藝參數見表3.

表3 激光再制造的工藝參數Tab.3 Process parameters of the laser cladding technology

試驗完成后，首先利用磨床對激光再制造表面的熔覆材料進行磨削，去除氧化皮，然后采用電火花線切割機分別對激光再制造制備所得鐵基材料與基體的復合材料切取一定數量的拉伸試樣、V 形缺口的沖擊試樣和彎曲試樣，試樣的熔覆再制造層厚度均為0.5mm.

2 結果與討論

2.1 拉伸試驗

拉伸試驗設備為WEW-100B 微機液壓萬能試驗機，按照GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》的要求進行測試.激光再制造層與基體復合材料的試件數量為6，對其分別編號.拉伸試樣的再制造層厚度為0.5mm，其尺寸示意圖見圖1.

由拉伸試驗得到的抗拉強度見表4.根據JB／T 7022—2002《工業汽輪機轉子體鍛件技術條件》，基體28CrMoNiV 鍛件經過熱處理后的抗拉強度為700～850 MPa，綜合所得測試數據，激光再制造層與基體復合材料的平均抗拉強度為862.5 MPa，較基體的平均抗拉強度775 MPa提高11.29%.

圖1 拉伸試樣示意圖（單位：mm）Fig.1 Specimen for the tensile test（unit：mm）

表4 拉伸試驗數據Tab.4 Results of the tensile test MPa

2.2 沖擊試驗

沖擊試驗設備為JB-300B 型擺錘式沖擊試驗機，最大沖擊能量為300J，擺錘預揚角為150°，沖擊速度為5.2m／s，擺軸中心至打擊中心的距離為750 mm.沖擊試樣缺口位于再制造層相背方向，其中再制造層厚度為0.5mm，具體尺寸如圖2所示.

圖2 沖擊試樣示意圖（單位：mm）Fig.2 Specimen for the impact test（unit：mm）

沖擊試驗時，激光再制造層與基體復合材料的沖擊吸收功可由試驗機讀出.

根據JB／T 7022—2002《工業汽輪機轉子體鍛件技術條件》，基體28CrMoNiV 鍛件經過熱處理后的沖擊吸收功≥24J.綜合測試結果（見表5）可知，激光再制造層與基體復合材料的沖擊吸收功較大.

2.3 彎曲試驗

彎曲試驗設備為WDW-20型微機控制電子萬能試驗機，額定載荷為20kN，按照YB／T 5349—2006《金屬彎曲力學性能試驗方法》的要求進行三點彎曲測試，其加載力速率為36N／s.復合材料數量為6，基體材料數量為3，對其分別編號，其中再制造層厚度為0.5mm，彎曲試樣示意圖見圖3.

表5 沖擊試驗數據Tab.5 Results of the impact test

圖3 彎曲試樣示意圖（單位：mm）Fig.3 Specimen for the bending test（unit：mm）

彎曲試驗的最大彎曲力Fbb可由試驗機讀出，抗彎強度σbb的計算公式為

式中：σbb為抗彎強度，N；Fbb為最大彎曲力，N；Ls為跨距，mm；W為試樣截面系數，mm3.

2組試件彎曲試驗所得的抗彎強度見表6.綜合測試結果可知，激光熔覆再制造層與基體復合材料的平均抗彎強度較基材材料提高約24.11%.

表6 彎曲試驗數據Tab.6 Results of the bending test N

2.4 抗拉強度、沖擊韌度與抗彎強度的分析

激光熔覆再制造層與基體復合材料的力學性能滿足并聯模型的混合律，可以根據單向復合材料性能的體積分數混合律進行計算.并聯力學性能模型的混合律如下［8］

式中：α為復合材料的力學性能；αf為基體材料的力學性能；αm為增強材料的力學性能；φf為基體材料的體積分數；φm為增強材料的體積分數.

由于激光熔覆的鐵基合金粉末物理參數未知，不能定量表達復合材料的力學性能與基體和增強體之間的精確關系，但通過試驗可定性分析.試驗中拉伸試件、沖擊試件和彎曲試件的熔覆再制造層厚度均為0.5mm，其中拉伸試件、沖擊試件和彎曲試件基體層厚度分別為1.5mm、9.5mm 和1.5mm.由式（3）可知，激光熔覆再制造層與基體復合材料的平均力學性能與組元材料的體積分數呈線性關系，復合材料力學性能的提高主要是由于激光再制造層力學性能較優引起的.激光熔覆再制造層中的夾渣和氣孔等缺陷是影響零件力學性能的重要因素，而試驗中再制造粉末中的合金元素經過多次選配調整，再經過激光熔覆后其組織細密，無氣孔與裂紋等缺陷.另外，由于激光再制造過程中金屬粉末瞬間熔化凝固并冷卻，使激光再制造層具有快速凝固特性，涂層晶粒細小，結構致密，從而其機械性能提高.

通過掃描電鏡對拉伸試樣的斷口進行分析，發現基體的斷面較為平坦，有晶粒形狀的凸起和凹陷，具有明顯的低塑性解理斷裂特征，屬脆性斷裂，如圖4（a）所示.這主要是因為28CrMoNiV 基體的晶格結構為體心立方，在室溫下屬于低溫脆性材料.而圖4（b）中激光再制造層的斷面起伏不平，可以清晰地看到晶粒的輪廓和晶粒的截面，具有明顯的沿晶斷裂特征.復合材料拉伸強度提高的主要原因是激光再制造層中一次晶軸與二次晶軸的數量遠大于基體材料，極小又細密的晶粒在合金材料塑性變形時，高密度的位錯阻礙了其滑移，從而提高了再制造層強度，即提高了復合材料的強度.

圖4 拉伸試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture appearance of the tensile specimen

對沖擊試樣的斷口進行掃描電鏡分析，發現基體的斷面主要在晶面上呈河流花樣的白色條狀紋，另外在白色條紋帶上的細枝中有少而淺的韌窩，局部有較深的韌窩，如圖5（a）所示，這說明基體材料的斷裂形式主要為脆性斷裂.由圖5（b）可以明顯看出，激光再制造層的斷面有晶粒輪廓的特征，斷口由許多小的晶面組成，在圖5（b）的右下方有柱狀樹枝晶的截面，由于激光再制造層內部主要為交叉的樹枝晶，裂紋撕裂晶界，并沿其擴展，因此其斷裂形式為脆性沿晶斷裂.由于激光再制造層晶粒相對基體材料小而密集，因此其裂紋擴展路徑曲折，需要消耗更大的能量，裂紋萌生功提高，從而提高了其韌性.

圖5 沖擊試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of the impact specimen

2.5 轉子實物再制造

通過基體的力學性能分析，最后采用鐵基粉末按照表3中的工藝參數對汽輪機轉子軸實物進行激光再制造，如圖6所示.通過綜合跳動檢測，發現汽輪機轉子實物的激光再制造層在0.5mm 厚度時的表面綜合跳動值為2.5μm，遠小于6.35μm，符合美國石油協會API 612—2005《石油、石化和天然氣工業用特種用途汽輪機》標準的規定.

圖6 激光再制造汽輪機轉子Fig.6 Photo of the turbine rotor remanufactured by laser cladding

3 結 論

（1）激光再制造層與基體復合材料的抗拉強度較基體材料28CrMoNiV 的平均抗拉強度提高11.29%，激光再制造層與基體復合材料的平均沖擊吸收功為39J，激光再制造層與基體復合材料的抗彎強度較基體的平均抗彎強度提高24.11%.

（2）根據并聯力學性能模型的混合律，激光熔覆再制造層與基體復合材料的力學性能與組元材料的體積分數呈線性關系，復合材料力學性能的提高主要是由于激光再制造層的力學性能優于基體材料28CrMoNiV.

（3）通過對拉伸與沖擊試樣斷口的微觀分析，得出基體主要為解理脆性斷裂，激光再制造層為沿晶脆性斷裂.復合材料拉伸強度的提高主要是因為激光再制造層中一次晶軸與二次晶軸的數量遠大于基體材料，高密度的位錯阻礙了滑移，從而提高了強度.復合材料沖擊韌性的提高主要是由于激光再制造層晶粒相對基體材料小而密集，使得裂紋擴展路徑曲折，需要消耗更大的能量，裂紋萌生功提高，從而提高了韌性.

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