FV520(B)鋼葉片模擬件激光再制造工藝優(yōu)化及成形修復

任維彬，董世運，徐濱士，王玉江，閆世興，方金祥

(裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

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FV520(B)鋼葉片模擬件激光再制造工藝優(yōu)化及成形修復

任維彬，董世運，徐濱士，王玉江，閆世興，方金祥

(裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072)

針對壓縮機葉片激光再制造成形的工程實際需求，從激光再制造成形表面平整度假設出發(fā)，獲得了熔覆層搭接率數學模型并實驗驗證，通過分析單道熔覆層形狀和優(yōu)選稀釋率，確定了FV520(B)鋼基體上熔覆FeCrNiCu系合金粉末的最優(yōu)化匹配工藝參數；通過量化分析激光再制造成形過程，規(guī)劃了最佳成形路徑和工藝過程，實現了體積損傷葉片模擬件激光再制造成形。滲透探傷和金相顯微測量結果表明：再制造成形部位表層無氣孔、裂紋等缺陷產生，成形部位形狀尺寸誤差小于2mm，角度誤差小于3°。

激光再制造;工藝優(yōu)化;成形修復;FV520(B)鋼;葉片模擬件

大型離心式空氣壓縮機作為我國西氣東輸工程中的重要機械裝備，常因轉子葉片破損失效造成機組停轉，嚴重影響工業(yè)生產正常運行[1-3]。造成葉片損傷失效的原因主要有以下方面：受使用環(huán)境高溫煙氣腐蝕影響，葉片表面出現腐蝕凹坑，引發(fā)葉輪偏轉；高速運行的微小粒子沖蝕和高速運轉產生的離心力的交互作用，葉片出現掉塊體積損傷；服役工況環(huán)境中，振動應力引起的高低周疲勞損壞等[4]。

針對該問題，已有研究主要采用微弧堆焊[5]、電弧噴涂[6]等方式對體積損傷部位進行體積恢復或表面強化，但微弧堆焊技術成形精度不高，熱影響區(qū)及后續(xù)加工量較大，易對基材力學性能造成影響；而電弧噴涂涂層可實現厚度較小，并且結合強度較低，在壓縮機葉片受高速粒子沖蝕及高速運轉的情況下，涂層易剝落。

激光作為一種高能量密度熱源，被廣泛應用于重要裝備部件再制造領域[7-9]，并取得顯著的工程和經濟效益，激光熔覆在再制造成形中具有成形精度高，熱影響區(qū)及熱變形小，對基體力學性能影響?。蝗鄹矊优c基體形成致密的冶金結合[10]，結合強度高；可實現較大面積和較深厚度的快速成形修復；結合智能化機器人技術，可適應不同區(qū)域和位置的柔性成形修復[11]等獨特優(yōu)勢。

綜上所述，激光熔覆技術為損傷壓縮機葉片的再制造提供了技術途徑。但由于葉片屬于薄壁件，且形狀復雜，激光熔覆再制造工藝不當易引起葉片的變形甚至開裂。因此，如何獲得基體無形變或小形變的高精度仿形再制造成為葉片激光再制造的難點。

本工作針對體積損傷葉片模擬件激光再制造成形形狀控制難點，以壓縮機葉片常用材質FV520(B)鋼為基體，并將其制成葉片模擬件，采用成分接近的FeCrNiCu合金粉末為熔覆材料，通過搭接率及稀釋率優(yōu)化分析，選擇最優(yōu)工藝參數；通過規(guī)劃成形搭接順序及層間偏移量，優(yōu)化成形工藝過程。實現葉片模擬件的激光再制造精度成形，為壓縮機葉片的激光再制造提供理論借鑒和工藝參考。

1 成形工藝參數優(yōu)化分析

1.1 層內搭接率優(yōu)化分析

熔覆層內搭接率，作為激光再制造成形過程中的重要工藝參數，對激光熔覆層表面平整度具有重要影響，搭接率過大易造成成形層表面凸起而影響成形整體形貌，甚至出現“結瘤”等成形缺陷；而搭接率過小，則容易使成形表面凹凸不平，影響成形部位表面平整度或造成成形尺寸缺失。因此，最優(yōu)搭接率的選擇，對激光再制造成形形狀精度控制具有重要意義[12]。

對激光再制造成形最優(yōu)搭接率的極限狀態(tài)進行如下假設，如圖1所示：搭接過程中，激光功率、送粉速率、掃描速率等工藝參數保持不變；單道成形層高度與寬度保持恒定不變，搭接熔覆層弧形對應中心O，O′在同一高度；粉末在熔池中充分熔化，即每道熔覆層成形質量相等；相鄰熔覆道頂點、搭接區(qū)域表面處于同一平面。其中，W為熔覆道寬度，H為熔覆道高度，S為搭接區(qū)域長度，截面MNC為先成形熔覆道截面，截面NPQC為后成形搭接熔覆道截面。

圖1 最優(yōu)搭接率狀態(tài)下成形截面示意圖Fig.1 The schematic diagram of forming section for the optimized overlapping ratio

由圖1可知，在工藝參數不變的情況下：

SMNC=SNPQC=SNPFG=HS

(1)

其中：

θ=arctg(W/2H)

(2)

α=π-2θ(0<α<π/2)

(3)

圓O與圓O′的半徑 R=H/(1-cosα)

(4)

又

SMNC=SMNCO-SMCO

(5)

即：SMNC=?R2-R2sin2α/2=HS

(6)

又搭接率n=(W-S)/W

(7)

將式(7)代入式(6)中，可得：

n=1-H(α-sin2α)/2W(1-cosα)2

(8)

由上述可得，在假設的最優(yōu)搭接率極限狀態(tài)下，搭接率與單道熔覆層的熔高和熔寬相關，即激光再制造工藝參數一定的情況下，最優(yōu)搭接率為定值。因此，通過對激光再制造工藝參數下單道熔覆層的熔寬與熔高的測量，可獲得該組工藝參數下最優(yōu)搭接率，實現成形形狀表面平整度的控制。

1.2 稀釋率篩選策略分析

稀釋率作為評價激光熔覆層質量的重要參數，表示熔化基材混入熔覆層，引起熔覆層合金成分的變化程度，可用基材合金在熔覆層所占的百分率表示[13]。研究表明：稀釋率在2%～10%之間時，熔覆層受基材元素稀釋作用較小，能與基材形成良好的冶金結合，在激光再制造成形過程中，降低熔覆層間熱累積效應而引起的熔覆層與基體的開裂可能[14]。如圖2所示，稀釋率計算方法如下[13]：

δ=h/(h+H)

(9)

式中:δ為稀釋率；H為熔高；h為熔深。

圖2 單道激光熔覆層截面示意圖Fig.2 The section schematic diagram of the single laser cladding layer

通過對熔覆層稀釋率進行計算和評價，實現工藝參數的進一步篩選和優(yōu)化，提高激光再制造過程中的成形質量。同時，為保證激光再制造成形效率，熔覆層稀釋率相近情況下，優(yōu)先選擇熔高較大的工藝參數。

2 工藝參數優(yōu)化分析實驗

實驗采用壓縮機葉片用FV520(B)鋼為基體材料，選擇成分接近的FeCrNiCu系合金粉末為熔覆材料，粒度為-140～+325目，實驗前將FeCrNiCu合金粉末置于DSZF-2型真空干燥箱內以150℃干燥2h，材料主要成分如表1所示，該熔覆材料具有較高的強度、韌性以及耐磨性。實驗前對基材進行砂紙打磨，去除表面鐵銹及氧化膜，并用丙酮清洗。

實驗采用YLS-4000光纖激光再制造系統(tǒng)，送粉方式為同軸送粉，熔覆過程對熔池施加氬氣保護。樣本分析實驗用單道激光熔覆工藝參數如表2所示。

表1 熔覆合金與基體材料元素成分(質量分數/%)

表2 激光熔覆工藝參數及實驗結果

圖3(a)～(e)分別為表2中序號1～5工藝參數下對應實驗樣本，由圖3可知，各實驗樣本均具有較好的成形形狀，其中，工藝參數3下實驗樣本(c)熔覆層兩側略有沾粉外，成形高度相對較?。还に噮?,2下對應實驗樣本(a),(b)成形高度與成形寬度基本一致，但工藝參數5對應的實驗樣本(e)成形高度及寬度都相對較大。

圖3 不同工藝參數下單道熔覆層宏觀形貌 (a)工藝參數1樣本；(b)工藝參數2樣本；(c)工藝參數3樣本； (d)工藝參數4樣本；(e)工藝參數5樣本Fig.3 The integral shape of single laser cladding layer (a)specimen for parameters set 1;(b)specimen for parameters set 2; (c)specimen for parameters set 3;(d)specimen for parameters set 4; (e)specimen for parameters set 5

在每個熔覆道中部進行線切割取樣、鑲樣、打磨并拋光，利用4g CuSO4+20mL HCl+20mL H2O的腐蝕液配方腐蝕20～25s，利用Olympus GX-51型金相顯微鏡的微觀測距功能，測量樣本熔寬和熔高，并由公式(2) ，(3) ，(4) ，(8) ，(9) 計算每組工藝參數下對應最優(yōu)搭接率及稀釋率，測量結果如表2所示。

基于表2所示工藝實驗數據，選擇稀釋率接近2%～10%區(qū)間的樣本(a)和樣本(e)對應的工藝參數1和5，作為優(yōu)化后的壓縮機葉片模擬件的成形工藝參數，其中參數1具有相對較低的稀釋率和熱輸入量，參數5成形高度相對較大，可減少成形堆積層數，實現快速成形。在實際成形過程中，對工藝參數1搭接率按照60%進行近似，工藝參數5搭接率按照50%近似。圖4為采用工藝參數5進行的單層搭接熔覆，圖4(a)搭接率為50%，圖4(b)搭接率為30%，可以看出，圖4(a)所示表面平整度明顯優(yōu)于圖4(b)。

圖4 不同搭接率下熔覆層宏觀表面形貌 (a)50%搭接率；(b)30%搭接率Fig.4 The surface morphology of cladding layer for different lapping ratios (a)50% lapping ratio;(b)30% lapping ratio

圖5(a)，(c)分別為采用工藝參數5，按照50%搭接率進行熔覆的搭接部分頂部及底部金相組織；圖5(b)，(d)為采用工藝參數5，按照30%搭接率進行熔覆的熔覆層頂部及底部金相組織。從圖5(a)，(b)可以看出，相同位置取樣的熔覆層頂部，均為等軸晶組織，搭接率為50%的熔覆層頂部等軸晶較搭接率為30%的試樣細小，分布密集；從圖5(c)，(d)可以看出，底部均以粗大的樹枝晶為主，搭接率為50%的熔覆層底部樹枝晶及胞狀晶都較搭接率為30%的試樣細小，分布更加密集均勻。綜上分析，進一步驗證基于表面平整度假設的搭接率選擇的正確性。

圖5 不同搭接率熔覆層不同部位金相組織 (a)50%搭接率，頂部； (b)30%搭接率，頂部；(c)50%搭接率，底部；(d)30%搭接率，底部Fig.5 The metallographic structure of the laser cladding layer on the top and near the bottom (a)50% lapping ratio, the top;(b)30% lapping ratio,the top;(c)50% lapping ratio,the bottom;(d)30% lapping ratio,the bottom

3 再制造量化成形與精度分析

3.1 量化分析及成形過程

實驗用基體材料為進氣邊存在體積損傷的FV520(B)鋼壓縮機葉片模擬件，對體積損傷部位進行機械加工去除，為避免成形部位熔覆層內應力集中而造成開裂，在待成形部位開設鈍角坡口(20mm×14mm，120°)，成形前，對該部位進行砂紙打磨去除氧化膜，并用丙酮及無水乙醇清洗，如圖6所示。

圖6 待成形邊部缺口葉片模擬件坡口形貌Fig.6 Groove morphologies of blade simulator with edge notches

基于工藝參數2中實驗獲得的優(yōu)化結果，結合激光再制造成形過程工藝特點，對FV520(B)鋼葉片模擬件激光再制造成形過程進行量化分析，通過數學模型建立，對成形過程量化控制，提高激光再制造成形精度。

圖7所示為待成形葉片模擬件待成形部位整體形貌，設坡口部位缺口高度為h，上底長為d1,下底長為d2，待成形部位坡口寬度為k；工藝參數1單道熔覆層成形高度為h1，寬度為m1，工藝參數5單道熔覆層高度為h2，寬度為m2。

圖7 葉片模擬件再制造部位整體形貌Fig.7 The integral morphology of the remanufacture zone for the simulator

結合激光再制造成形工藝特點，對葉片模擬件激光再制造過程進行量化分析，過程如下：為避免底面與側面斜坡相交的兩條底邊S1，S2成形過程中熱應力過大而開裂(如圖7所示)，首先采用低功率工藝參數1進行單道熔覆。然后對坡口各邊進行單道成形熔覆，在以較低稀釋率形成良好冶金結合的同時，可以形成良好的成形邊界，防止后續(xù)成形過程中形成過大的加工余量。隨之在成形邊界內部進行單道搭接填充1層，搭接率為60%，為避免激光光閘頻繁開閉而對成形穩(wěn)定性造成影響，激光光束掃描方向與Y方向平行，單道熔覆層之間熔覆時間間隔0.5s，使成形層充分冷卻，防止熔池過熱而過度成形。設成形高度為h1,剩余成形體積高度為H，則

H=h-h1

(10)

為減少熔覆層層間熱累積，實現快速成形，應減少堆積成形層數。首層成形后，采用參數5進行體積快速成形，掃描方向與X方向平行，使部分熔覆層殘余應力在不同方向抵消[15]，層內搭接率為50%，單道之間成形時間間隔0.5s，每一成形層與前一成形層向內或向外平移半個光斑位置進行[16]，如圖8所示。采用該工藝可以實現快速成形并保持較好的表面平整度，則

N=(h-h1)/h2

(11)

圖8 半光斑偏移再制造成形過程示意圖Fig.8 The schematic diagram of the half facula deviation for remanufacture forming

在進行成形層堆高過程中，每層熔覆層需向兩側斜坡方向各擴展成形偏移p，如圖9所示，以實現體積高度方向最終成形的同時，完成側面斜坡的堆積成形。

圖9 逐層偏移成形路徑示意圖Fig.9 The schematic diagram of layer-by-layer offset forming

設每層熔覆層較前一熔覆層向側面斜坡偏置為p，則

p=(d1-d2)/2n(n≥2)

(12)

由式(11)，(12)可得：

p=(d1-d2)h2/2(h-h1)

(13)

由坡口開設方式可知，h=5.2mm，d1=20mm，d2=14mm；由表2中相關工藝參數可知，h1=1.02mm， h2=1.34mm。

根據模擬件體積損傷結構特點，分析歸納相關成形難點，按照選定的優(yōu)化工藝參數，進行葉片模擬件激光成形再制造：

(1)坡口邊界及底面相交邊單道成形。如圖10所示，采用工藝參數如下：激光功率1.1kW、掃描速率180mm/min、送粉速率21.4g/min、載氣流量150L/h、搭接率60%；底面與側面斜坡相交的兩條底邊單道成形1層，成形高度為1.02mm，然后以同樣工藝參數在各邊界成形1層，與Y方向平行進行邊界內部填充成形，如圖10所示。

圖10 葉片模擬件首層成形過程示意圖 (a)底部相交邊單道成形；(b)底部Y方向填充成形Fig.10 The schematic diagrams of the forming course for the first layer (a)single layer forming for the bottom intersecting line;(b)filling forming in the Y direction

(2)坡口體積成形逐層堆積。采用工藝參數如下：激光功率3kW、掃描速率600mm/min、送粉速率42g/min、載氣流量250L/h、搭接率50%，進行堆積成形，單層成形高度1.34mm，將相關參數代入公式(11)中可知，實現坡口堆積成形共需堆積4層，激光束掃描方向與X方向平行，將相關參數代入公式(4)可知，每層熔覆層向兩側斜坡各偏移0.75mm。

3.2 成形尺寸精度分析

圖11所示為再制造成形后模擬件整體形貌，可以看出，整體具有較好的表面平整度，進一步驗證優(yōu)化搭接率選擇的合理性。為分析再制造成形后葉片模擬件熔覆層表層缺陷情況，對成形修復后葉片模擬件表層進行滲透探傷實驗，表面噴涂白色滲透試劑部分無紅色試劑滲出，表明成形部位表層無氣孔、裂紋等缺陷存在。

圖11 再制造成形后葉片模擬件整體形貌及滲透探傷結果Fig.11 The integral morphology and result of penetration testing for blade simulator after laser remanufacture

為進一步精確測量激光再制造成形修復后葉片模擬件尺寸恢復精度，利用金相顯微鏡對基材和成形部位斜面彎折角度進行測量，結果如表3所示，w為成形部位寬度，α為成形部位原件彎折角度，β為該部位成形前角度，“-”表示尺寸與原件一致。尺寸測量結果表明：激光再制造后葉片模擬件尺寸恢復較好，成形后加工余量在2mm之內，角度精度控制在3°內。

表3 激光再制造形狀尺寸及角度對比

滲透探傷實驗和尺寸精度分析結果表明，葉片模擬件再制造過程參數優(yōu)化選擇正確，成形過程量化分析合理，能夠實現成形過程精確的量化控制，修復后模擬件具有較好的尺寸和角度精度，相關工藝優(yōu)化方法及過程對該類型結構件激光再制造成形具有一定的借鑒意義。

4 結論

(1)確定對應材料體系下優(yōu)化工藝參數為：激光功率1.1kW，掃描速率180mm/min，載氣流量150L/h，送粉速率21.4g/min；激光功率3kW，掃描速率600mm/min，載氣流量250L/h，送粉速率42g/min。

(2)結合激光再制造成形工藝參數特點，量化分析激光再制造成形過程，提升成形形狀控制水平及精度。

(3)滲透探傷實驗結果表明：表層無裂紋、氣孔等缺陷存在。測量結果表明：激光再制造成形部位尺寸與原件精度誤差控制在2mm之內，成形部位扭轉角度精度誤差控制在3°以內。

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Process Optimization and Forming Repair of Laser Remanufacture for FV520(B) Steel Blade Simulator

REN Wei-bin,DONG Shi-yun,XU Bin-shi, WANG Yu-jiang,YAN Shi-xing,FANG Jin-xiang

(National Key Laboratory for Remanufacturing,Academy of Armored Forces Engineering,Beijing 100072,China)

Aimed at the engineering actual demand of laser remanufacture forming for compressor blade, based on the hypothesis of surface smoothness for laser remanufacture forming, the mathematics model of cladding layer overlapping rate was obtained and verified by experiment. Through analysis on the shape of single laser cladding layer and screening the dilution, the optimized matched process parameters for the FeCrNiCu series alloy powder on the FV520(B) substrate were determined. Thro-ugh quantitative analysis on the laser remanufacture forming process, the scanning path and technical process were planned. Also the laser remanufacture forming of the blade simulator with volume damage was realized. The results of the penetration testing and metallographic microscope measurement show that there is not blowhole and crack on the surface of the forming places, the shape dimension error of the forming places is controlled less than 2mm, and the angle error is controlled less than 3°.

laser remanufacture;process optimization;forming repair;FV520(B) steel;blade simulator

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.01.002

TN249

A

1001-4381(2015)01-0006-07

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB0134 03)

2014-06-25；

2014-11-06

董世運(1973-)，男，研究員，主要從事激光再制造方面的研究工作，聯(lián)系地址：北京市豐臺區(qū)杜家坎21號院士辦裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室(100072),E-mail:syd422@sohu.com