貫穿裂紋損傷的壓縮機(jī)葉輪激光增材修復(fù)工藝研究*

齊海紅 周岳平 許 磊 杜彥斌

(①成都大陸激光技術(shù)有限公司，四川 成都 610000；②重慶工商大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400067)

離心閉式葉輪是壓縮機(jī)設(shè)備的關(guān)鍵零部件之一，廣泛運(yùn)用于石油、化工等領(lǐng)域[1-2]。在復(fù)雜惡劣的服役工況下，常出現(xiàn)掉塊、沖蝕、裂紋等失效形式，造成極大的停機(jī)損失，嚴(yán)重影響企業(yè)生產(chǎn)。損傷葉輪再制造是利用激光增材設(shè)備，在缺損區(qū)域，采用激光加熱增材粉末獲得致密的冶金結(jié)合熔覆層，并恢復(fù)葉輪功能的過(guò)程[3-4]。以某型號(hào)尿素CO2壓縮機(jī)出現(xiàn)周向貫穿裂紋葉輪的再制造為例，因其額定轉(zhuǎn)速高，損傷區(qū)域特殊、壁薄等特點(diǎn)造成激光增材工藝參數(shù)控制難度大，稍不注意極易引起修復(fù)葉輪的質(zhì)量問(wèn)題(如力學(xué)性不達(dá)標(biāo)，熔覆區(qū)域出現(xiàn)裂紋)[5-6]。因此，有必要對(duì)貫穿裂紋損傷的壓縮機(jī)葉輪激光增材修復(fù)工藝研究。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者在失效分析于零部件激光增材再制造方面開(kāi)展了研究。程曉波對(duì)某型號(hào)離心壓縮機(jī)葉輪斷裂原因從組織、力學(xué)性能、裝配和運(yùn)行狀態(tài)等方面進(jìn)行了分析，得出主要原因?yàn)?04焊料補(bǔ)焊后未熱處理和斷裂葉片δ鐵素體含量偏高導(dǎo)致韌性降低[7]。束東等對(duì)真空泵葉輪失效原因進(jìn)行了分析，并提出了焊接修復(fù)方案[8]。舒林森等對(duì)銑刀盤激光熔覆修復(fù)過(guò)程的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，其規(guī)律對(duì)葉輪增材再制造有一定的借鑒意義[9]。Cheikh H E等采用CO2激光器對(duì)單道激光的幾何形狀進(jìn)行了數(shù)值與實(shí)驗(yàn)分析，能夠輔助工程人員優(yōu)化工藝參數(shù)[10]。Yi P 等以灰口鑄鐵為研究對(duì)象，開(kāi)展了熱力耦合分析與實(shí)驗(yàn)研究[11]。施凡等對(duì)K465合金激光增材制造加工工藝進(jìn)行了數(shù)值仿真研究[12]?？傮w而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在損傷零部件的激光增材再制造領(lǐng)域的研究主要集中在失效模式、數(shù)值模擬、工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐應(yīng)用等方面[13-15]。但其中針對(duì)出現(xiàn)周向貫穿裂紋的葉輪修復(fù)研究涉較少，具有較大的研究?jī)r(jià)值。

本文以某型號(hào)尿素CO2壓縮機(jī)損傷葉輪為研究對(duì)象，首先設(shè)計(jì)貫穿裂紋損傷葉輪的增材再制造方案；其次利用激光增材有限元模型模擬增材再制造過(guò)程，獲得溫度場(chǎng)并指導(dǎo)工藝參數(shù)優(yōu)化；然后對(duì)貫穿裂紋損傷葉輪進(jìn)行激光增材再制造；最后對(duì)增材再制造葉輪質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)和臺(tái)架考核，為出現(xiàn)裂紋損傷的旋轉(zhuǎn)部件再制造修復(fù)提供一定的參考。

1 激光增材再制造原理與實(shí)驗(yàn)

1.1 葉輪損傷失效分析及激光增材原理

圖1為某化工廠某型號(hào)的進(jìn)口CO2壓縮機(jī)第七級(jí)葉輪，其額定轉(zhuǎn)速為32 000 r/min，工作介質(zhì)為CO2氣體，工作溫度為80 ℃，進(jìn)口壓力9.5 MPa，出口壓力11.0 MPa，葉輪直徑為126.85 mm。轉(zhuǎn)速高，離心力大，葉輪后蓋板處出現(xiàn)了圓周貫穿裂紋，并伴有3處掉塊現(xiàn)象，A處3 mm×2 mm，B處1.5 mm×1 mm，C處1 mm×0.8 mm，裂紋處壁厚為1.5 mm，已無(wú)法正常使用，停機(jī)損失高達(dá)近300萬(wàn)元/天，具體尺寸如圖2所示。

葉輪再制造修復(fù)是利用高能激光束實(shí)現(xiàn)合金粉末與基材表面的熔合，形成具有冶金結(jié)合的增材熔覆層，熔覆過(guò)程中吹送保護(hù)氣體防止增材層的氧化，最終實(shí)現(xiàn)葉輪功能的恢復(fù)。

1.2 激光增材再制造優(yōu)化方案設(shè)計(jì)

為了提高葉輪再制造修復(fù)質(zhì)量，降低實(shí)驗(yàn)成本，采用數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，優(yōu)化工藝參數(shù)。數(shù)值仿真軟件為ANSYS，實(shí)驗(yàn)采用光纖激熔覆設(shè)備，激光最大功率1 000 W，增材再制造過(guò)程中采用氬氣保護(hù)，同軸送粉和水冷降溫。選擇金屬熔覆粉末時(shí)應(yīng)綜合考慮：(1)成形性與潤(rùn)濕性；(2)力學(xué)性能與熱物理性能；(3)與基體材料相近的元素成分。葉輪材質(zhì)主要組成成分和選定的熔覆粉末成分如表1所示，粉末粒度選用150～220目。

表1 葉輪材料主要成分 wt.%

由于高速旋轉(zhuǎn)的葉輪出現(xiàn)了周向貫穿裂紋，葉輪后蓋板、葉片流道與輪轂基本分離脫開(kāi)，損傷極為嚴(yán)重，擬采用減材-增材方式修復(fù)，首先需將后蓋板與輪轂進(jìn)行精準(zhǔn)熔覆固定，采用在后蓋板與葉片、輪轂交接處開(kāi)孔方式，直至如圖3所示。

2 激光熔覆溫度場(chǎng)分析

2.1 有限元模型建立

葉輪修復(fù)方式為多孔單層多道熔覆，采用如圖3所示的有限元模型模擬貫穿裂紋損傷葉輪激光增材。為了提高模擬效率，單孔熔覆模擬其中3道，單道增材寬度1.5 mm，長(zhǎng)度5 mm，基板幾何尺寸：8 mm×6 mm×2 mm。

根據(jù)以前激光增材修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，初始擬定相關(guān)參數(shù)為：激光功率500 W，光斑直徑為 1.8 mm，送粉量3 g/s，離焦量 5 mm，掃描速度8 mm/s。采用六面體網(wǎng)格劃分方法，共獲得單元數(shù)約2 900個(gè)，單元類型選定熱分析為Solid70。同軸送粉利用“單元生死法”的單元順序激活模擬實(shí)現(xiàn)。

2.2 控制理論

(1)基本假設(shè)

激光增材熱致溫度場(chǎng)涉及因素多，求解時(shí)需對(duì)模型作以下合理假設(shè)：

①初始溫度設(shè)定為20 ℃；

②材料屬性各向同性，且均為溫度函數(shù)；

③忽略熔池流體流動(dòng)，存在熔池區(qū)域熱傳導(dǎo)；

④求解過(guò)程滿足準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

(2) 控制方程

溫度場(chǎng)滿足控制方程：

(1)

(3) 約束條件與熱源模型

采用基板表面約束，約束性質(zhì)為位移約束。熱源模型采用高斯體熱源，模擬激光生熱過(guò)程。

2.3 溫度場(chǎng)分布規(guī)律

圖5為模擬增材過(guò)程關(guān)鍵子步熔池形態(tài)與溫度。熔池的形狀與溫度隨著時(shí)間的變化而快速移動(dòng)和變化，熔池邊界溫度設(shè)定為1 450 ℃(葉輪與粉末熔點(diǎn)約為1 400 ℃)，初始階段，熔池以半球形為主，在1.2 s內(nèi)，熔深小于增材厚度0.6 mm，合金粉末不能與基材形成良好的冶金結(jié)合，再制造修復(fù)時(shí)須加大初始階段的熱輸入量；隨著溫度的穩(wěn)步上升，熔池形狀達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，熱量集中區(qū)域能達(dá)到2 230 ℃，熔池深度也超過(guò)0.5 mm，基材與增材粉末形成了較好的冶金結(jié)合。在實(shí)際葉輪再制造過(guò)程中，須控制熱輸入量，溫度過(guò)小，增材層與基體沒(méi)有形成良好的冶金結(jié)合，導(dǎo)致強(qiáng)度達(dá)不到再制造要求；溫度過(guò)高，有可能因熔深過(guò)大而產(chǎn)生大變形。

3 貫穿裂紋損傷葉輪的激光增材再制造

3.1 工藝參數(shù)選定與激光增材再制造修復(fù)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，優(yōu)化工藝參數(shù)并設(shè)定為：激光功率500 W，光斑直徑為 1.8 mm，送粉量3 g/s，離焦量5 mm，掃描速度8 mm/s。試驗(yàn)前，高強(qiáng)度合金粉末需要150 ℃真空箱干燥2 h，挖孔區(qū)域打磨除銹及除氧化膜，并用丙酮清洗烘干。圖6為采用激光增材再制造修復(fù)的葉輪。

3.2 再制造葉輪質(zhì)量檢測(cè)

(1) 增材再制造結(jié)合強(qiáng)度及硬度

為了驗(yàn)證激光熔覆區(qū)域的結(jié)合強(qiáng)度是否滿足要求，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試制標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣共計(jì)6根(多余為備用)，采用于葉輪熔覆工藝一致的參數(shù)熔覆坡口處。拉伸強(qiáng)度結(jié)果L1為929 MPa、L2為919 MPa、L3為931 MPa、L4為954 MPa、L5為950 MPa、L6為950 MPa，算術(shù)平均值為938 MPa，對(duì)比廠家的強(qiáng)度要求(600 MPa)，結(jié)合強(qiáng)度滿足。進(jìn)一步分析熔覆區(qū)域硬度值約為HB 270～300，滿足新品葉輪要求。

(2) 激光增材再制造區(qū)域無(wú)損探傷

為了檢測(cè)再制造葉輪是否存在裂紋夾雜等缺陷，對(duì)其進(jìn)行無(wú)損探傷，主要包括：著色探傷(圖7a)、熒光檢測(cè)(圖7b)和工業(yè)CT檢測(cè)(圖7c)。結(jié)果顯示葉輪增材區(qū)域無(wú)宏觀裂紋、氣孔，不存在夾雜，再制造質(zhì)量符合要求。

(3) 葉輪動(dòng)平衡測(cè)試與分析

葉輪動(dòng)平衡測(cè)試設(shè)備，測(cè)試按照GB 9239標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，動(dòng)不平衡量由式(2)計(jì)算獲得，精度等級(jí)為G1.6。

(2)

式中：m為允許不平衡量，g；M為轉(zhuǎn)子的自身質(zhì)量，kg；G為轉(zhuǎn)子平衡精度等級(jí)，mm/s；r為轉(zhuǎn)子校正半徑，mm；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

表2為動(dòng)不平衡初始與殘余不平衡檢測(cè)結(jié)果，采用去重方式平衡，經(jīng)計(jì)算初始量為0.973 5 g·mm，殘余不平衡量為0.748 g·mm，均小于新品規(guī)定值14.7 g·mm，滿足要求。

表2 葉輪動(dòng)平衡檢測(cè)

采用激光增材再制造修復(fù)的葉輪，經(jīng)上機(jī)測(cè)試一次成功，滿足了企業(yè)生產(chǎn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)建立了激光熔覆數(shù)值模擬模型，獲得了激光增材再制造過(guò)程中溫度場(chǎng)分布規(guī)律。熔覆初始階段存在升溫滯后現(xiàn)象，葉輪激光增材開(kāi)始階段溫度降低，需增加熱源輸入量。

(2)提出了一種周向貫穿裂紋的減材-增材的對(duì)稱挖孔激光增材再制造修復(fù)方案，并成功運(yùn)用于實(shí)踐。再制造區(qū)域結(jié)合強(qiáng)度可達(dá)938 MPa，硬度值約HB 270～300，滿足葉輪工況要求；激光增材再制造葉輪無(wú)損探傷未見(jiàn)裂紋、氣孔；采用去重方式平衡，其動(dòng)不平衡量在可許用范圍內(nèi)，符合要求；上機(jī)測(cè)試，一次成功，滿足了企業(yè)的生產(chǎn)要求。驗(yàn)證了再制造產(chǎn)品的安全性，為旋轉(zhuǎn)類零件激光增材再制造修復(fù)提供了一定的借鑒。