FV520B鋼等離子噴焊組織性能及殘余應力分析*

宋守許，鄢子超，柯慶鏑，汪　偉

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥　230009)

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FV520B鋼等離子噴焊組織性能及殘余應力分析*

宋守許，鄢子超，柯慶鏑，汪偉

(合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥230009)

摘要：針對殘余應力及組織性能對再制造修復葉輪的影響，運用等離子噴焊技術，在葉輪材料FV520B基體上進行噴焊試驗，通過金相顯微鏡觀測其組織形貌，采用X射線應力分析儀測試噴焊層表面的殘余應力和厚度方向的應力梯度。結果表明：噴焊層界面組織成分分布均勻，沒有明顯缺陷；拉應力出現在工件熱影響區邊界、結合層及工件背面，最大拉應力分布在熱影響區邊界處。以工件表面熱影響區邊界處殘余應力為指標，采用正交試驗法對等離子噴焊工藝參數進行優化，最終減小了噴焊后的表面殘余拉應力。

關鍵詞：等離子噴焊；組織性能；殘余應力；熱影響區

0引言

葉輪是大型離心壓縮機高速轉子的核心部件，不僅在高速高溫高壓環境下承受離心力、激振力、氣動力等循環交變載荷作用，而且在壓縮介質含有微小固體顆粒及腐蝕物質環境下服役,故葉輪失效的頻率較高,其中葉片是最容易失效的零件[1-2]。葉輪的失效形式主要有葉片表面出現腐蝕凹坑引發的偏轉，葉片出現掉塊的體積損傷，高低周疲勞的損壞等[3]。

近年來，隨著表面技術的發展，對葉輪實施表面強化處理，大幅度提高零件性能，延長零件服役壽命已成為可能。徐健等[4]針對葉片的磨損采用堆焊技術增加了葉片葉冠間的耐磨性；范毅等[5]采用超音速火焰噴涂WC/12Co涂層增加了葉片抗沖蝕能力；任維彬等[6]通過量化分析激光再制造成形過程，實現了體積損傷葉片模擬件激光再制造成形。

通過對比可以發現，堆焊和熔覆的涂層與基體形成致密的冶金結合[7]，結合強度高，適用于在復雜環境服役條件下葉輪的修復。但堆焊成形精度不高，后續加工量較大[6]；而激光熔覆可以實現厚度小、成型精度高的要求，但確定其工藝參數復雜麻煩，成本比較高[8]。常用的冶金結合技術還有噴焊，目前針對噴焊在葉輪再制造中的應用還比較少[9]。與堆焊相比，噴焊比較適合薄壁的零件修復，成型精度高于堆焊；與激光熔覆相比，噴焊對基體的熱影響及性能影響比較大，但其加工效率高、成本低，能夠實現快速成批的修復[10-12]。

本文針對焊后組織性能的改變及熱影響產生殘余應力對再制造修復葉輪的影響，以壓縮機葉片常用材質FV520B為基體，采用等離子噴焊技術，通過對基體組織進行分析，驗證等離子修復葉片的可靠性。采用X射線衍射技術[13-14]檢測噴焊前后基體殘余應力的變化，通過正交試驗以表面最大殘余拉應力為指標，對等離子噴焊工藝進行優化，為壓縮機葉片的噴焊再制造提供理論借鑒和工藝參考。

1噴焊層制備

試樣工件選取葉片材料馬氏體不銹鋼FV520B，尺寸大小為100mm×100mm,厚度為12mm，具體化學成分見表1。噴焊前對工件表面進行化學腐蝕(腐蝕劑是濃度為40%(90%H2O2+10%HF)的水溶液)去除氧化層，然后進行清洗烘干處理。

表1　FV520B化學成分表(%)

實驗噴焊設備為武漢材料保護研究所研制生產的PTA-400E4-ST型通用型粉末等離子噴焊機，焊槍采用1-3QLA-300W型精密粉末等離子焊槍，粉末為規格是100～280目WF327鐵基合金粉，工作氣體為99.99%工業純氬，實驗額定工作電流為140A，焊槍移動速度為60mm/min，送粉量為14g，擺動寬度為10mm，其余參數為默認值。噴焊采用偏心焊，焊后宏觀形貌如圖1所示。

圖1　焊后宏觀形貌

2噴焊層及界面組織性能分析

用線切割部分噴焊后的截面，通過P360#、P500#、P600#、P800#金相砂紙進行打磨，對磨光后的截面進行拋光，然后用濃度為53%(62.5%三氯化鐵+37.5%硝酸)的水溶液浸蝕，最后使用金相顯微鏡觀測截面的形貌。

在噴焊中，噴焊層與熱影響區相互過渡的區域為熔合區，該區是整個噴焊中最薄弱的地帶。由于結晶時冷卻速度很快，固相成分很難趨于一致，從而產生偏析。其特征是組織缺陷多、化學成分不均勻，如熱裂紋、脆性相和冷裂紋等。結合界面形貌如圖2所示，從圖中可以看出噴焊層與基體結合良好，無明顯氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。噴焊層為柱狀樹枝晶，這是由于在熔池中，最先出現晶核的部位是在熔合線上，此處散熱快、溫度低，晶體是向著與散熱方向相反的方向長大，同時也向兩側長大，因此受到相鄰長大的晶粒阻礙，使得晶粒生長方向指向熔池中心，形成柱狀晶，當柱狀晶粒不斷長大至相互接觸，噴焊層的結晶過程結束。

圖2　等離子噴焊結合界面顯微組織形貌

圖3　等離子噴焊基體顯微組織形貌圖

圖3為噴焊后基體顯微組織形貌，基體組織為板條狀馬氏體。結合圖2可以看出組織發生顯著變化的熱影響區可以劃分為三個區域：部分相變區(不完全重結晶區)，相變重結晶區(細晶粒區)，過熱區(粗晶粒區)。圖4為放大的相變重結晶區，由圖可以看出該區域組織為細小的馬氏體，這種現象是因為馬氏體相變具有可逆性，加熱時馬氏體向母相轉變，冷卻時母相又轉變為馬氏體。

圖4　等離子噴焊熱影響區顯微組織形貌

3等離子噴焊殘余應力分析

目前X射線檢測是比較成熟而且應用范圍也比較廣泛的測量結構表面殘余應力方法。當應力引起晶格間距d發生變化時，由布拉格公式可知衍射角θ隨之變化。利用衍射角的變化，根據彈性力學如方程1所示，可求出某一方向的應力。

σ=K·M

(1)

在試樣表面橫向和縱向各均勻選取10個點，如圖1所示。采用PROTO公司iXRD便攜式殘余應力儀對噴焊前后試樣表面選取點的殘余應力進行測量。

3.1縱向殘余應力

噴焊前后縱向測量點的衍射峰半高寬和殘余應力如圖5所示。

圖5　噴焊前后縱向測量點的衍射峰半高寬和殘余應力

通過測試結果可以發現，噴焊后兩側的殘余應力都向壓應力轉化。這是由于噴焊加熱時，由于受工件未加熱部分的金屬產生的約束，無法進行自由膨脹，工件只能在整個縱向上伸長，因此熱影響區部分因膨脹受阻而產生壓應力，兩側則形成拉應力。熱影響區部分的壓應力超過屈服強度時，產生壓縮性變形。焊后冷卻時，由于熱影響區部分已經產生的壓縮性變形不能再恢復，兩側則縮短到焊前的原長，這種自由收縮同樣是無法實現，試樣各部分收縮會互相牽制，熱影響區兩側將阻礙中心部分收縮，兩側則形成壓應力。

由衍射峰半高寬測試結果可知，在熱影響區衍射峰的半高寬有明顯的增加，這是由于工件熱影響區發生了熔化再結晶，導致晶體細化、位錯密度降低，同時相反的相變過程疊加，使得熱影響區域部分的應力也為壓應力，并且壓應力的值比兩側的更大。在點3和點5之間發生了突變，衍射峰半高寬變小，殘余應力由壓應力轉為拉應力。點4在熱影響區邊界區域，此處的殘余拉應力最大，衍射峰半高寬最小。導致這種現象的原因可能是熱影響區邊界附近存在著顯著的不均勻性導致晶粒粗大、位錯嚴重。

3.2橫向殘余應力

噴焊前后橫向測量點的衍射峰半高寬和殘余應力結果如圖6所示。

圖6　噴焊前后橫向測量點的衍射峰半高寬和殘余應力

噴焊后橫向殘余應力產生的直接原因是來自工件冷卻的橫向收縮，間接原因來自工件的縱向收縮。另外，表面和內部不同的冷卻過程和疊加的相變過程也是影響的因素。由圖6測量結果可以發現與縱向同樣的規律，即熱影響邊界區域發生了應力和衍射峰半高寬的突變，最大拉應力出現在熱影響區邊界線附近；最大壓應力和衍射峰半高寬在熱影響區內。與縱向不同之處是橫向所測點經過了噴焊層的表面(如點4)，通過衍射峰半高寬可以發現噴焊層表面晶粒粗大，殘余應力為壓應力。由于采用偏心焊，右側區域離噴焊區域比較遠，應力和半高寬并未發生明顯變化。

3.3厚度方向殘余應力

噴焊后橫截面的特征區域如圖7所示。

1.噴焊層 2.熱影響區 3.基體金屬 4.熔合線

噴焊后噴焊層表面粗糙，存在氧化皮和焊波。測試前需要對表面采用砂紙打磨，用電解拋光法去除打磨應力，然后沿厚度方向進行逐層電解拋光，拋光介質為飽和食鹽水。噴焊后沿厚度方向的衍射峰半高寬和殘余應力結果如圖8所示(噴焊層相對工件厚度較小，對噴焊層所測點的距離0.2mm，基體所測點的距離為1mm)。

圖8　噴焊后沿厚度方向的衍射峰半高寬和殘余應力

由圖8分析可以發現，在整個噴焊層存在的都是壓應力，由表層到內部有逐漸增大的趨勢，衍射峰半高寬在表層到中層的過程中逐漸增大，隨后又逐漸減小。在結合層處半高寬達到最小值，同時應力也發生突變，但是存在的拉應力值并不大。基體隨著厚度的增加衍射峰半高寬逐漸減小，殘余應力先減小后增加，在工件背面表層轉變為拉應力，由前述分析可知，導致這種現象的原因是不均勻的冷卻過程和相變的疊加。

綜上所述，由檢測結果分析得出噴焊后整個工件的殘余應力分布情況。由分析可以得到工件表面性能得到改善，殘余應力都有不同程度的變小，但是在熱影響區邊界附近存在較大的拉應力；在厚度方向，拉應力出現在與工件的結合處和工件的背面表層；三處拉應力相比，最大值在表面熱影響區邊界處。

表面拉應力嚴重，將可能導致裂紋的產生，嚴重影響葉片的疲勞強度，降低葉輪的使用性能。因此采取有效的工藝措施降低表面存在的拉應力，對保證修復后葉片表面完整性有重要作用。

4等離子噴焊工藝優化

工藝參數對噴焊層形態的影響較為復雜，各個參數既相互聯系又相互制約。額定工作電流、噴焊速度、送粉量、擺動寬度、送粉氣壓等都是進行噴焊時的一些重要指標和參數。在前期大量試驗的基礎上確定最優的其它參數，選取額定工作電流、噴焊速度、送粉量作為試驗參數。從減少試驗次數并保證足夠精確度的角度出發，在前述試驗的基礎上對該三個噴焊參數進行正交組合試驗設計，對噴焊前后工件的熱影響區邊界附近的殘余應力進行多次測試，取噴焊前后相對值和多次測量平均值，依據最小應力值最終得出最佳噴焊工藝參數。

根據探索性試驗，確定的因素與水平如表2所示。試驗是三水平三因素的正交試驗，不考慮因素間的交互作用，先用正交表來安排試驗，各因素的水平組合如表3所示。

表2　因素水平表

表3　試驗方案

試驗指標是殘余拉應力，指標越小越好，所以應挑選每個因素的K1、K2、K3中最小的值對應的水平，得出優化方案為A2B2C3，即額定工作電流120A，噴焊速度60mm/min，送粉量18g。優化方案出現在第4組試驗，殘余拉應力結果為70.52MPa，比前述試驗(第2組)減少了78.07MPa，可見優化后的噴焊工藝可以顯著減小表面熱影響邊界的殘余拉應力。由極差可以發現額定電流水平對試驗結果影響最大的因素，也是最主要的因素，噴焊速度對結果影響最小，空白列的極差比噴焊速度的極差還要大，說明因素之間存在不可忽略的交互作用。

圖9　因素與指標的趨勢圖

以因素水平作為橫坐標，以試驗指標的平均值k為縱坐標，畫出因素與指標的趨勢如圖9所示。從圖中可以看出，額定電流在120～140A之間殘余拉應力并無明顯變化，但超過140A后殘余拉應力明顯增大；送粉量越大越好，但是一般對于表面修復余量都有一定的限制；噴焊速度在額定電流和送粉量確定的前提下有個最優值。

通過試驗分析可以得出，等離子噴焊設備在能滿足很好的熔化粉末的前提下盡可能的選取最小的額定工作電流，在滿足修復余量的前提下選取最大的送粉量，并依據電流和送粉量選取合適的噴焊速度，對噴焊后表面殘余拉應力有一定的改善作用。

5結論

(1)對于在復雜環境條件下服役的葉輪，等離子噴焊不僅可以快速修復零件尺寸，還能夠強化零件表面的理化性能，所獲得的涂層組織致密性強，沒有明顯組織缺陷，與基體結合強度高。

(2)噴焊后對工件的熱影響主要體現在應力的變化。在表面，工件的殘余應力得到改善，橫向與縱向的殘余應力分布規律相似，最大壓應力和衍射峰半高寬均在熱影響區內，但在熱影響區邊界處出現較大拉應力；在厚度方向，噴焊層內部分布的均是壓應力，在結合層和工件背面出現較小拉應力。

(3)通過對等離子噴焊工藝參數的優化，得到減小額定工作電流和增加送粉量可以減小噴焊后工件表面的殘余拉應力；優化后的殘余拉應力為70.52MPa，比優化前減少了78.07MPa，實現了噴焊對工件熱影響的減小，增加了噴焊修復葉輪的可靠性。

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(編輯趙蓉)

Analyses of Microstructure Performance and Residual Stress of FV520B Steel with Plasma Spray Welding

SONG Shou-xu, YAN Zi-chao, KE Qing-di, WANG Wei

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China)

Abstract：According to residual stress and microstructure performance work on remanufactured Impeller , spray welding experiment was carried out on the impeller material FV520B by Plasma Spray Welding technology. The microstructure and morphology was observed by metallographic microscope, the residual stress of the workpiece surface and the stress gradient of thickness direction was tested by XRD. The results testify that the component of organization is uniform between spray welding coating and matrix, and which has no obvious defects. The tensile stress appears in the heat affected zone boundaries, bonding layer and the back of the workpiece. The maximum tensile stress distributes in the heat affected zone boundaries. The surface residual stress in heat affected zone boundaries were taken as indexes, the orthogonal test was used to optimized the plasma spray welding process parameters. Eventually, the tensile stress of the spray welding surface was reduced.

Key words：plasma spray welding; microstructure performance; residual stress; heat affect zone

文章編號：1001-2265(2016)05-0013-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.004

收稿日期：2015-06-26；修回日期：2015-07-23

*基金項目：國家“九七三”重點基礎研究項目(2011CB013406)

作者簡介：宋守許(1964—)，男，安徽安慶人，合肥工業大學教授，博士，研究方向為可持續制造，機電產品再資源化， (E-mail)shouxus@163.com。

中圖分類號：TH162；TG506

文獻標識碼：A