激光熔覆修复涡轮导向器工艺实践

论文导读：J.Powell提出的传热计算模型只简单地给出了进行激光熔覆所需功率的大致范围。激光工艺参数：功率W取850、900、1000。形成比较完善的有应用价值的修复K418涡轮导向器的新工艺。
关键词：激光熔覆，镍基高温合金，涡轮导向器，工艺参数，微观形貌

　　1 引言高温合金尤其是镍基铸造合金广泛应用于航空发动机零部件的制造，某型起动发动机涡轮导向器即由镍基合金K418整体铸造而成。涡轮导向器的常见失效形式为：裂纹、缺损、过烧、变形。由于镍基合金价格昂贵，损坏的涡轮导向器如果一次性报废，势必造成极大的浪费，因此用修复代替更换可以节约大量资金，带来非常可观的经济效益和军事效益。由于喷涂技术，涂层与工件是非冶金结合或只部分冶金结合，结合强度低，涂层易剥落；堆焊修复技术所获得的修复层热影响区大，工件内应力和变形较大，易产生裂纹，均不适合在涡轮导向器修复中应用。激光熔覆技术具有组织快速冷凝的典型特征；热影响区较小，涂层稀释率低，与基体呈冶金结合；可在低熔点金属表面熔覆高熔点金属等优点[1]。近几年，对于其它材质的涡轮导向器，一些研究机构也将激光技术作为修复措施之一。本文对损伤的K418涡轮导向器的激光熔覆修复工艺进行了有益的探索。由于CO2激光器功率大，修复效率高，因此拟定首先进行CO2连续激光熔覆修复试验，以期与后续进行的YAG脉冲激光熔覆等其它修复试验加以比对，提供理论参考。
　　2试验条件2.1基体材料基体材料为镍基高温合金K418，其化学成分(质量分数，%)为：C0.08～0.16，Cr11.5～13.5，Ti0.5～1.0，Fe1.0，Mn0.5，Al5.5～6.4，Si0.5，Nb1.8～2.5，Zr0.06～0.15，Mo3.8～4.8，B0.008～0.02，余为Ni。试样用阴极射线从涡轮导向器上切下，经100号粗砂纸打磨，再用丙酮清洗试样表面、干燥以脱脂。
　　2.2 熔覆材料的选取
　　在考察熔覆材料、扫描速度、激光功率、离焦量和基材等因素对裂纹敏感性的影响时，发现熔覆材料的影响排在首位。熔覆层材料的选择是否适当，将直接影响到熔覆层的使用性能及熔覆工艺。熔覆材料设计的一般原则是：熔覆材料与基材的线膨胀系数、热导率和熔点等物理性质应该接近。免费论文参考网。据此原则，GH3044作为熔覆层材料。[2]
GH3044的化学成分(质量分数，%)为：C≤0.10，Cr23.5～26.5，Ti0.30～0.70，Fe≤4.00，Mn≤0.50，Al≤0.50，Si≤0.80，Mo≤1.50，W13.0～16.0，P≤0.013，S≤0.013，余为Ni。
参照GH3044各元素所占的质量分数，并参考各元素在合金中所起的作用，配制熔覆粉末，化学成分(质量分数，%)为：C0.10，Cr25，Ti0.50，Fe4.00，Mn0.50，Al0.50，Si0.80，Mo1.50，W15，余为Ni。
　　2.3 试验设备及检测设备
　　试验用横流、管板式、多模连续CO2激光器，其波长为10.6μm，最大输出功率为2KW。采用光电天平秤取熔覆粉末各组分。采用4XB-TV金相显微镜观察试样的微观组织形貌。
　　2.4 工艺参数设计
　　影响熔覆层质量的主要因素除了材料成分参数，还有工艺参数。免费论文参考网。对CO2激光器，工艺参数主要包括激光功率，工件上的光斑直径D（离焦量h），激光扫描速度V（或光束作用时间）和熔覆粉末厚度等。根据CO2激光熔覆的特点，激光功率P和扫描速度V是影响熔覆质量的主要因素，激光功率过大过小，扫描速度过快过慢，直接影响熔覆效果的优劣，需重点确定。但由于CO2激光器基本都是大功率，本试验条件下，激光器的最大输出功率为2KW，因此具体试验功率的选取范围太大，如果无理论依据，随便选定一个数值摸索试验，必会大大延长试验的进程。
　　2.4.1 确定激光功率
　　由于J.Powell传热计算模型以预置涂层为绝热层作基础，其计算方法对于使用粘结剂和合金粉末预置层比较适合，因此功率选取范围是800~2000W。但J.Powell提出的传热计算模型只简单地给出了进行激光熔覆所需功率的大致范围，因此试验中激光功率还需要参照图1来确定。
　　
　　图1 各种激光加工方法的工艺参数
　　Fig.1Craft parameters of various laser processing methods
　　对于激光熔覆工艺特点，激光的作用时间大约在10-3～10-1s，激光功率密度Q在104～107W/cm2。
　　根据激光功率 P=Q(πD2/4)
　　求得P1=104π（2/2）210-2=314W
P2=107π（2/2）210-2=3.14×105W
　　其中光斑直径D通常取2mm。
　　2.4.2 确定扫描速度
　　因为光束为扫描加热且光斑为圆形，故可以认为加热时间即激光与材料相互作用时间t（s）。作用时间t（s）与扫描速度V（mm/s）、光斑直径D（m）之间的关系如下：
　　V=D/t
　　V1=2/10-3=2×103mm/s
　　V2=2/0.1=20mm/s
　　因为计算功率太大，而试验中所用激光器的功率通常在1KW以下，功率P和扫描速度V之间的关系可由经验公式P=A而定。免费论文参考网。如将功率值缩小20倍，那么扫描速度应该缩小400倍。
　　根据试验条件，取
　　P1ˊ=P1/20=314/20=15.7W
　　P2ˊ=P2/20=3.14×105/10=1.57×104W
　　与之相对应的，有
　　V1ˊ=V1/400=2×103/400=5mm/s
　　V2ˊ=V2/400=20/400=0.05mm/s
　　根据计算所得的功率P和扫描速度V的范围，结合J. Powell传热计算模型，经过简单摸索，以功率、扫描速度、气流流量作为三个因素，做正交试验，激光工艺参数：功率W取850、900、1000，扫描速度mm/s取2、4、5，气流流量L/min取0.5、1、1.5。
　　试验采用预置粉末法，将熔覆粉末均匀涂覆在试验叶片预定位置上，厚度为1～2mm，并用粘结剂浸润后晾干。光斑直径2mm。保护气体为氩气。
　　3熔覆层微观组织特征熔覆层组织一般为树枝晶，如图2、3，熔覆层中的枝晶沿温度梯度最大的方向呈现出明显的方向性；熔覆层中各区域晶粒粗细有不规则差别，靠近冶金结合带的晶粒较粗大，长短不一，向上逐渐过渡到无明显方向性的细小枝晶和等轴晶；在靠近冶金结合带处常出现垂直结合界面的柱状晶；熔覆层中只有极少量的微观裂纹、气孔。在熔覆层与基体连接的地方，由于基体元素的渗入，熔覆层材料和基体材料形成牢固的冶金结合带，在金相图中显示为极薄一层的白亮带。
　　

基体 基体 熔覆层 熔覆层 　　图2 熔覆层微观形貌400× 图3 熔覆层微观形貌400× 　　Fig.2 Microstructureof laser cladding Fig.3 Microstructure of lasercladding 　　主要原因是激光熔覆过程中，粉末吸收能量快速熔化，同时冷的基体也吸收了一部分热量，因此基体表层微熔，由于基体快速传热的急冷作用，当激光束离开熔池后，底层熔化合金即发生快速凝固生成枝晶。在涂层的上部，由于固液界面前沿温度梯度减小，但由于流动的保护气体引起的对流散热作用显著，这样涂层在对流散热及熔覆层已凝固合金和基材热传导的双重作用下，结晶为无明显方向的细小枝晶[3]。 　　总体来讲，熔覆层组织（图2、3）比基体组织（图4）细小致密，进一步调整激光工艺参数，优化工艺参数组合，可以获得明显优于基体组织的熔覆层，如图5所示。激光功率850W，扫描速度5mm/s，气流流量1L/min时，可以获得晶粒更加细小致密且无微观缺陷的熔覆层。 　　 　　 图4 基体组织400×图5 熔覆层微观形貌400× 　　 Fig.4 Microstructureof substrate Fig.5 Microstructure of laser cladding 　　 　　图6 熔覆层微观形貌400× 　　Fig.6 Microstructureof laser cladding 　　工艺参数如选取不当，熔覆层中可能出现气孔（图7）、夹杂物（如图8所示）。枝晶间夹杂物分布不均匀，在某些区域有一定聚集，晶界处有聚集。夹杂物形状、大小亦有所差别，可呈块状、板条状、蝴蝶状、链条状等多种。对于熔覆层和基体间的夹杂，可通过调整工艺参数，适当增加能量密度，改善液体流动性来净化熔覆材料。 　　 　　图7 气孔500× 图8 夹杂物1200× 　　 Fig.7 PoreFig.8inclusion 　　4结论（1）熔覆层中各区域晶粒粗细有不规则差别，组织不太均匀。 　　（2）激光功率850W，扫描速度5mm/s，气流流量1L/min时，可以获得晶粒更加细小致密且无微观缺陷的熔覆层。 　　（4）CO2激光熔覆修复技术可以与其他修复涡轮导向器的技术进行参照对比。 　　5 进一步研究设想考虑到涡轮导向器待修复区域很小且很薄，采用CO2熔覆容易造成能量过大输入基体，热作用区增大，导致基体稀释过多，影响熔覆修复效果。 　　后续将改用YAG脉冲激光器作热源，同时尝试调整粉末成分，加入铌等稀土元素，进一步优化材料参数和工艺参数，进行多道、多层熔覆实验，并测试熔覆层的耐疲劳性能、耐磨擦磨损性能、耐腐蚀和高温性能等，形成比较完善的有应用价值的修复K418涡轮导向器的新工艺。 参考文献 [1] 刘文长等，激光熔覆技术的研究现状[J]，粉末冶金技术，1998，16（3）：209-212 [2] 汪刘应，王汉功等，铝合金表面激光熔覆NiCrBSi涂层工艺参数对显微组织的影响[J].金属热处理，1997，7 [3] 董世运等，激光熔覆铜合金涂层的组织特征及结晶过程分析[J].金属热处理，2000，(3):1-3