激光熔覆修復(fù)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jī)、發(fā)電機(jī)、泵與風(fēng)機(jī)等重要轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備常因轉(zhuǎn)子和軸承潤(rùn)滑不良,或油系統(tǒng)中存在的顆粒進(jìn)入軸承出現(xiàn)磨粒磨損,導(dǎo)致軸頸表面磨損失效,對(duì)電廠的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益造成很大影響[1]。對(duì)損傷零件進(jìn)行修復(fù)不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間損失,還可以提高資源的利用率，符合國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展要求[2]。軸頸磨損的修復(fù)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(fù)后軸徑減小必須配非標(biāo)軸瓦,或者涂層結(jié)合強(qiáng)度低、應(yīng)力大、容易脫落、大面積磨損修復(fù)難度大等問題[3]。而激光熔覆技術(shù)對(duì)零件表面修復(fù)效果明顯優(yōu)于上述傳統(tǒng)工藝,已在國(guó)內(nèi)外得到初步實(shí)際應(yīng)用[4]。激光熔覆過程的實(shí)質(zhì)是高能激光束和金屬粉末以及基材相互作用時(shí),粉末和基材快速熔化、快速冷卻的過程。因?yàn)檫@一過程時(shí)間很短,遠(yuǎn)離相變平衡態(tài),過熱度和過冷度遠(yuǎn)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(xì)化的組織結(jié)構(gòu)、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(yīng)用前景[5-7]。雖然激光熔覆技術(shù)制備鎳基涂層取得了一定進(jìn)展,已成為近年來的研究熱點(diǎn)和研究前沿，但對(duì)于熔覆材料的選擇以及裂紋和氣孔的控制仍有待于進(jìn)行深入細(xì)致的研究[8]。

激光熔覆修復(fù)轉(zhuǎn)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(qiáng)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(huì)降低熔覆層力學(xué)性能,產(chǎn)生應(yīng)力集中,還可能促成裂紋；而熔覆層裂紋對(duì)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(shù),對(duì)發(fā)電廠轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)子軸頸磨損進(jìn)行了修復(fù)試驗(yàn)研究,對(duì)熔覆層氣孔和裂紋的形成機(jī)理和類型進(jìn)行了分析總結(jié),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(fù)質(zhì)量。

1 試驗(yàn)條件與方法

激光熔覆修復(fù)試驗(yàn)對(duì)象為熱電廠轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)子軸頸,其材料為35CrMo、35CrMoV、40CrNi等合金結(jié)構(gòu)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(dòng)送粉多道搭接熔覆,高純度氬氣保護(hù)。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(yù)涂黑體涂料,以增強(qiáng)熔覆過程中軸頸基體對(duì)激光的吸收率。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氣孔類型和產(chǎn)生機(jī)理

激光熔覆軸頸修復(fù)過程中,雖然采用高純度氬氣施加同步保護(hù)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(yīng)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(hù)的熔池發(fā)生劇烈的物理化學(xué)變化,熔池周圍氣流劇烈擾動(dòng),很難保證保護(hù)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(jìn)入熔池。這樣，游離的C就會(huì)與O結(jié)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(rèn)為孔洞是保護(hù)氣在熔池中的過飽和,材料的不充足而導(dǎo)致收縮以及基材本身的氣孔等原因造成。這種觀點(diǎn)理論值得實(shí)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(huì)在不同程度上導(dǎo)致熔覆層結(jié)構(gòu)疏松,從而降低其強(qiáng)度,甚至引發(fā)熔覆層脫落；同時(shí)氣孔也是引起應(yīng)力集中的重要因素,成為導(dǎo)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(hù)氣在熔池中的過飽和的因素;也有可能是保護(hù)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(duì)較小,一般為WC高溫分解形成游離C與氧結(jié)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(jié)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(dòng)性差,導(dǎo)致碳氧化物微小氣團(tuán)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(qiáng)等人[10]通過加入適當(dāng)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(shí)踐中完全可以借鑒用來減少WC高溫分解。

在軸頸修復(fù)中,通過調(diào)整激光工藝參數(shù)可以促進(jìn)和改善熔體的流動(dòng)性,有利于游離的C與氧氣結(jié)合生成CO和CO2逸出;尤其要調(diào)節(jié)控制惰性保護(hù)氣的氣流參數(shù),對(duì)熔池實(shí)現(xiàn)良好保護(hù)同時(shí),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(shí)踐嘗試采用外加一定頻率和振幅的機(jī)械震動(dòng)作用于熔覆軸頸基體處,對(duì)熔池中液態(tài)金屬進(jìn)行激蕩,可以促進(jìn)溶體中氣泡的逸出,對(duì)減少熔覆層氣孔有很好的作用。

另外，在實(shí)踐中保持最佳工藝參數(shù)范圍內(nèi),可以適當(dāng)減小激光掃描速度,加大功率密度,以增強(qiáng)線能量。這樣，一方面可略微延長(zhǎng)熔池壽命,減慢冷凝速度,從而使熔池中氣體有足夠時(shí)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?zé)龘p、晶粒變大等現(xiàn)象。

2.3 裂紋的類型和產(chǎn)生機(jī)理

裂紋的形成因素很多,但都可以歸結(jié)為應(yīng)力的作用。應(yīng)力包括熱應(yīng)力和相變應(yīng)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(dǎo)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(shí)溫度梯度導(dǎo)致激光熔凝層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力大于該溫度下材料強(qiáng)度極限時(shí),熔覆層出現(xiàn)裂紋。

轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備軸頸熔覆具有其獨(dú)特的熱力學(xué)特點(diǎn),一方面熔層的大部分熱量是由基體傳走的,轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)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(zhuǎn)子軸頸外形為圓柱狀,對(duì)稱性好,熔覆時(shí)的熱應(yīng)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(jié)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(xì)微的斷裂聲,這是出現(xiàn)微小裂紋時(shí)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(shí)溫度梯度導(dǎo)致熔凝層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)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(yīng)力作用下延伸開裂形成宏觀裂紋。另外快速冷凝時(shí)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(kuò)展導(dǎo)致整個(gè)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(shí)固態(tài)相變引起的。隨著冷凝過程中拉應(yīng)力作用,有些微小裂紋最終擴(kuò)展延伸發(fā)展成貫穿整個(gè)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(yīng)力,才能避免熔覆層開裂。氣孔和夾雜處應(yīng)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(shí)間,可以減少裂紋出現(xiàn)。前述延長(zhǎng)熔池壽命,減慢冷凝速度,使熔池中氣體及時(shí)逸出減少氣孔對(duì)減小開裂也有幫助。

激光熔覆后的二次掃描重熔技術(shù)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(shí)踐中發(fā)現(xiàn),這樣做效果往往不理想,在搭接處會(huì)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(shí)溫度梯度,可以在一定程度上減少裂紋的產(chǎn)生。本文對(duì)軸頸基體進(jìn)行氧乙炔火焰預(yù)熱和熔覆后硅酸鹽纖維層保溫緩冷處理,氧乙炔火焰預(yù)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(yīng)力。但是，保溫溫度不宜過高,時(shí)間不宜太長(zhǎng)，否則會(huì)導(dǎo)致覆層晶粒組織粗大、硬度值降低。

3 結(jié) 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(dòng)性、略微延長(zhǎng)熔池壽命來實(shí)現(xiàn)。通過熔覆材料中添加In2O3抑制WC的分解;促進(jìn)和改善熔體的流動(dòng)性;調(diào)節(jié)工藝參數(shù)略微延長(zhǎng)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(jī)械振動(dòng)激蕩熔池液態(tài)金屬可以促進(jìn)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(shí)現(xiàn)。熔覆淺表層裂紋可以采用重熔處理。預(yù)熱緩冷、降低溫度梯度、減少殘余應(yīng)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(jìn)一步試驗(yàn)研究外加機(jī)械震動(dòng)以排除熔體氣體;研究完善預(yù)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(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備軸頸的高質(zhì)量修復(fù)。

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