FV520B鋼等離子噴焊組織性能及殘余應(yīng)力分析*

宋守許，鄢子超，柯慶鏑，汪　偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥　230009)

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FV520B鋼等離子噴焊組織性能及殘余應(yīng)力分析*

宋守許，鄢子超，柯慶鏑，汪偉

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥230009)

摘要：針對(duì)殘余應(yīng)力及組織性能對(duì)再制造修復(fù)葉輪的影響，運(yùn)用等離子噴焊技術(shù)，在葉輪材料FV520B基體上進(jìn)行噴焊試驗(yàn)，通過(guò)金相顯微鏡觀測(cè)其組織形貌，采用X射線(xiàn)應(yīng)力分析儀測(cè)試噴焊層表面的殘余應(yīng)力和厚度方向的應(yīng)力梯度。結(jié)果表明：噴焊層界面組織成分分布均勻，沒(méi)有明顯缺陷；拉應(yīng)力出現(xiàn)在工件熱影響區(qū)邊界、結(jié)合層及工件背面，最大拉應(yīng)力分布在熱影響區(qū)邊界處。以工件表面熱影響區(qū)邊界處殘余應(yīng)力為指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)法對(duì)等離子噴焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終減小了噴焊后的表面殘余拉應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：等離子噴焊；組織性能；殘余應(yīng)力；熱影響區(qū)

0引言

葉輪是大型離心壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子的核心部件，不僅在高速高溫高壓環(huán)境下承受離心力、激振力、氣動(dòng)力等循環(huán)交變載荷作用，而且在壓縮介質(zhì)含有微小固體顆粒及腐蝕物質(zhì)環(huán)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(xiàn)腐蝕凹坑引發(fā)的偏轉(zhuǎn)，葉片出現(xiàn)掉塊的體積損傷，高低周疲勞的損壞等[3]。

近年來(lái)，隨著表面技術(shù)的發(fā)展，對(duì)葉輪實(shí)施表面強(qiáng)化處理，大幅度提高零件性能，延長(zhǎng)零件服役壽命已成為可能。徐健等[4]針對(duì)葉片的磨損采用堆焊技術(shù)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(guò)量化分析激光再制造成形過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了體積損傷葉片模擬件激光再制造成形。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，堆焊和熔覆的涂層與基體形成致密的冶金結(jié)合[7]，結(jié)合強(qiáng)度高，適用于在復(fù)雜環(huán)境服役條件下葉輪的修復(fù)。但堆焊成形精度不高，后續(xù)加工量較大[6]；而激光熔覆可以實(shí)現(xiàn)厚度小、成型精度高的要求，但確定其工藝參數(shù)復(fù)雜麻煩，成本比較高[8]。常用的冶金結(jié)合技術(shù)還有噴焊，目前針對(duì)噴焊在葉輪再制造中的應(yīng)用還比較少[9]。與堆焊相比，噴焊比較適合薄壁的零件修復(fù)，成型精度高于堆焊；與激光熔覆相比，噴焊對(duì)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?qū)崿F(xiàn)快速成批的修復(fù)[10-12]。

本文針對(duì)焊后組織性能的改變及熱影響產(chǎn)生殘余應(yīng)力對(duì)再制造修復(fù)葉輪的影響，以壓縮機(jī)葉片常用材質(zhì)FV520B為基體，采用等離子噴焊技術(shù)，通過(guò)對(duì)基體組織進(jìn)行分析，驗(yàn)證等離子修復(fù)葉片的可靠性。采用X射線(xiàn)衍射技術(shù)[13-14]檢測(cè)噴焊前后基體殘余應(yīng)力的變化，通過(guò)正交試驗(yàn)以表面最大殘余拉應(yīng)力為指標(biāo)，對(duì)等離子噴焊工藝進(jìn)行優(yōu)化，為壓縮機(jī)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(xué)成分見(jiàn)表1。噴焊前對(duì)工件表面進(jìn)行化學(xué)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(jìn)行清洗烘干處理。

表1　FV520B化學(xué)成分表(%)

實(shí)驗(yàn)噴焊設(shè)備為武漢材料保護(hù)研究所研制生產(chǎn)的PTA-400E4-ST型通用型粉末等離子噴焊機(jī)，焊槍采用1-3QLA-300W型精密粉末等離子焊槍?zhuān)勰橐?guī)格是100～280目WF327鐵基合金粉，工作氣體為99.99%工業(yè)純氬，實(shí)驗(yàn)額定工作電流為140A，焊槍移動(dòng)速度為60mm/min，送粉量為14g，擺動(dòng)寬度為10mm，其余參數(shù)為默認(rèn)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(xiàn)切割部分噴焊后的截面，通過(guò)P360#、P500#、P600#、P800#金相砂紙進(jìn)行打磨，對(duì)磨光后的截面進(jìn)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(cè)截面的形貌。

在噴焊中，噴焊層與熱影響區(qū)相互過(guò)渡的區(qū)域?yàn)槿酆蠀^(qū)，該區(qū)是整個(gè)噴焊中最薄弱的地帶。由于結(jié)晶時(shí)冷卻速度很快，固相成分很難趨于一致，從而產(chǎn)生偏析。其特征是組織缺陷多、化學(xué)成分不均勻，如熱裂紋、脆性相和冷裂紋等。結(jié)合界面形貌如圖2所示，從圖中可以看出噴焊層與基體結(jié)合良好，無(wú)明顯氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。噴焊層為柱狀樹(shù)枝晶，這是由于在熔池中，最先出現(xiàn)晶核的部位是在熔合線(xiàn)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(zhǎng)大，同時(shí)也向兩側(cè)長(zhǎng)大，因此受到相鄰長(zhǎng)大的晶粒阻礙，使得晶粒生長(zhǎng)方向指向熔池中心，形成柱狀晶，當(dāng)柱狀晶粒不斷長(zhǎng)大至相互接觸，噴焊層的結(jié)晶過(guò)程結(jié)束。

圖2　等離子噴焊結(jié)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(jié)合圖2可以看出組織發(fā)生顯著變化的熱影響區(qū)可以劃分為三個(gè)區(qū)域：部分相變區(qū)(不完全重結(jié)晶區(qū))，相變重結(jié)晶區(qū)(細(xì)晶粒區(qū))，過(guò)熱區(qū)(粗晶粒區(qū))。圖4為放大的相變重結(jié)晶區(qū)，由圖可以看出該區(qū)域組織為細(xì)小的馬氏體，這種現(xiàn)象是因?yàn)轳R氏體相變具有可逆性，加熱時(shí)馬氏體向母相轉(zhuǎn)變，冷卻時(shí)母相又轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

圖4　等離子噴焊熱影響區(qū)顯微組織形貌

3等離子噴焊殘余應(yīng)力分析

目前X射線(xiàn)檢測(cè)是比較成熟而且應(yīng)用范圍也比較廣泛的測(cè)量結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力方法。當(dāng)應(yīng)力引起晶格間距d發(fā)生變化時(shí)，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(jù)彈性力學(xué)如方程1所示，可求出某一方向的應(yīng)力。

σ=K·M

(1)

在試樣表面橫向和縱向各均勻選取10個(gè)點(diǎn)，如圖1所示。采用PROTO公司iXRD便攜式殘余應(yīng)力儀對(duì)噴焊前后試樣表面選取點(diǎn)的殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。

3.1縱向殘余應(yīng)力

噴焊前后縱向測(cè)量點(diǎn)的衍射峰半高寬和殘余應(yīng)力如圖5所示。

圖5　噴焊前后縱向測(cè)量點(diǎn)的衍射峰半高寬和殘余應(yīng)力

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，噴焊后兩側(cè)的殘余應(yīng)力都向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化。這是由于噴焊加熱時(shí)，由于受工件未加熱部分的金屬產(chǎn)生的約束，無(wú)法進(jìn)行自由膨脹，工件只能在整個(gè)縱向上伸長(zhǎng)，因此熱影響區(qū)部分因膨脹受阻而產(chǎn)生壓應(yīng)力，兩側(cè)則形成拉應(yīng)力。熱影響區(qū)部分的壓應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生壓縮性變形。焊后冷卻時(shí)，由于熱影響區(qū)部分已經(jīng)產(chǎn)生的壓縮性變形不能再恢復(fù)，兩側(cè)則縮短到焊前的原長(zhǎng)，這種自由收縮同樣是無(wú)法實(shí)現(xiàn)，試樣各部分收縮會(huì)互相牽制，熱影響區(qū)兩側(cè)將阻礙中心部分收縮，兩側(cè)則形成壓應(yīng)力。

由衍射峰半高寬測(cè)試結(jié)果可知，在熱影響區(qū)衍射峰的半高寬有明顯的增加，這是由于工件熱影響區(qū)發(fā)生了熔化再結(jié)晶，導(dǎo)致晶體細(xì)化、位錯(cuò)密度降低，同時(shí)相反的相變過(guò)程疊加，使得熱影響區(qū)域部分的應(yīng)力也為壓應(yīng)力，并且壓應(yīng)力的值比兩側(cè)的更大。在點(diǎn)3和點(diǎn)5之間發(fā)生了突變，衍射峰半高寬變小，殘余應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。點(diǎn)4在熱影響區(qū)邊界區(qū)域，此處的殘余拉應(yīng)力最大，衍射峰半高寬最小。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是熱影響區(qū)邊界附近存在著顯著的不均勻性導(dǎo)致晶粒粗大、位錯(cuò)嚴(yán)重。

3.2橫向殘余應(yīng)力

噴焊前后橫向測(cè)量點(diǎn)的衍射峰半高寬和殘余應(yīng)力結(jié)果如圖6所示。

圖6　噴焊前后橫向測(cè)量點(diǎn)的衍射峰半高寬和殘余應(yīng)力

噴焊后橫向殘余應(yīng)力產(chǎn)生的直接原因是來(lái)自工件冷卻的橫向收縮，間接原因來(lái)自工件的縱向收縮。另外，表面和內(nèi)部不同的冷卻過(guò)程和疊加的相變過(guò)程也是影響的因素。由圖6測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)與縱向同樣的規(guī)律，即熱影響邊界區(qū)域發(fā)生了應(yīng)力和衍射峰半高寬的突變，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在熱影響區(qū)邊界線(xiàn)附近；最大壓應(yīng)力和衍射峰半高寬在熱影響區(qū)內(nèi)。與縱向不同之處是橫向所測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)了噴焊層的表面(如點(diǎn)4)，通過(guò)衍射峰半高寬可以發(fā)現(xiàn)噴焊層表面晶粒粗大，殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力。由于采用偏心焊，右側(cè)區(qū)域離噴焊區(qū)域比較遠(yuǎn)，應(yīng)力和半高寬并未發(fā)生明顯變化。

3.3厚度方向殘余應(yīng)力

噴焊后橫截面的特征區(qū)域如圖7所示。

1.噴焊層 2.熱影響區(qū) 3.基體金屬 4.熔合線(xiàn)

噴焊后噴焊層表面粗糙，存在氧化皮和焊波。測(cè)試前需要對(duì)表面采用砂紙打磨，用電解拋光法去除打磨應(yīng)力，然后沿厚度方向進(jìn)行逐層電解拋光，拋光介質(zhì)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(yīng)力結(jié)果如圖8所示(噴焊層相對(duì)工件厚度較小，對(duì)噴焊層所測(cè)點(diǎn)的距離0.2mm，基體所測(cè)點(diǎn)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(yīng)力

由圖8分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)噴焊層存在的都是壓應(yīng)力，由表層到內(nèi)部有逐漸增大的趨勢(shì)，衍射峰半高寬在表層到中層的過(guò)程中逐漸增大，隨后又逐漸減小。在結(jié)合層處半高寬達(dá)到最小值，同時(shí)應(yīng)力也發(fā)生突變，但是存在的拉應(yīng)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(yīng)力先減小后增加，在工件背面表層轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，由前述分析可知，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是不均勻的冷卻過(guò)程和相變的疊加。

綜上所述，由檢測(cè)結(jié)果分析得出噴焊后整個(gè)工件的殘余應(yīng)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(yīng)力都有不同程度的變小，但是在熱影響區(qū)邊界附近存在較大的拉應(yīng)力；在厚度方向，拉應(yīng)力出現(xiàn)在與工件的結(jié)合處和工件的背面表層；三處拉應(yīng)力相比，最大值在表面熱影響區(qū)邊界處。

表面拉應(yīng)力嚴(yán)重，將可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響葉片的疲勞強(qiáng)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(yīng)力，對(duì)保證修復(fù)后葉片表面完整性有重要作用。

4等離子噴焊工藝優(yōu)化

工藝參數(shù)對(duì)噴焊層形態(tài)的影響較為復(fù)雜，各個(gè)參數(shù)既相互聯(lián)系又相互制約。額定工作電流、噴焊速度、送粉量、擺動(dòng)寬度、送粉氣壓等都是進(jìn)行噴焊時(shí)的一些重要指標(biāo)和參數(shù)。在前期大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定最優(yōu)的其它參數(shù)，選取額定工作電流、噴焊速度、送粉量作為試驗(yàn)參數(shù)。從減少試驗(yàn)次數(shù)并保證足夠精確度的角度出發(fā)，在前述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)該三個(gè)噴焊參數(shù)進(jìn)行正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)噴焊前后工件的熱影響區(qū)邊界附近的殘余應(yīng)力進(jìn)行多次測(cè)試，取噴焊前后相對(duì)值和多次測(cè)量平均值，依據(jù)最小應(yīng)力值最終得出最佳噴焊工藝參數(shù)。

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

表2　因素水平表

表3　試驗(yàn)方案

試驗(yàn)指標(biāo)是殘余拉應(yīng)力，指標(biāo)越小越好，所以應(yīng)挑選每個(gè)因素的K1、K2、K3中最小的值對(duì)應(yīng)的水平，得出優(yōu)化方案為A2B2C3，即額定工作電流120A，噴焊速度60mm/min，送粉量18g。優(yōu)化方案出現(xiàn)在第4組試驗(yàn)，殘余拉應(yīng)力結(jié)果為70.52MPa，比前述試驗(yàn)(第2組)減少了78.07MPa，可見(jiàn)優(yōu)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(yīng)力。由極差可以發(fā)現(xiàn)額定電流水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的因素，也是最主要的因素，噴焊速度對(duì)結(jié)果影響最小，空白列的極差比噴焊速度的極差還要大，說(shuō)明因素之間存在不可忽略的交互作用。

圖9　因素與指標(biāo)的趨勢(shì)圖

以因素水平作為橫坐標(biāo)，以試驗(yàn)指標(biāo)的平均值k為縱坐標(biāo)，畫(huà)出因素與指標(biāo)的趨勢(shì)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(yīng)力并無(wú)明顯變化，但超過(guò)140A后殘余拉應(yīng)力明顯增大；送粉量越大越好，但是一般對(duì)于表面修復(fù)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(gè)最優(yōu)值。

通過(guò)試驗(yàn)分析可以得出，等離子噴焊設(shè)備在能滿(mǎn)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(mǎn)足修復(fù)余量的前提下選取最大的送粉量，并依據(jù)電流和送粉量選取合適的噴焊速度，對(duì)噴焊后表面殘余拉應(yīng)力有一定的改善作用。

5結(jié)論

(1)對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境條件下服役的葉輪，等離子噴焊不僅可以快速修復(fù)零件尺寸，還能夠強(qiáng)化零件表面的理化性能，所獲得的涂層組織致密性強(qiáng)，沒(méi)有明顯組織缺陷，與基體結(jié)合強(qiáng)度高。

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

(3)通過(guò)對(duì)等離子噴焊工藝參數(shù)的優(yōu)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(yīng)力；優(yōu)化后的殘余拉應(yīng)力為70.52MPa，比優(yōu)化前減少了78.07MPa，實(shí)現(xiàn)了噴焊對(duì)工件熱影響的減小，增加了噴焊修復(fù)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(hào)：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(xiàng)目：國(guó)家“九七三”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2011CB013406)

作者簡(jiǎn)介：宋守許(1964—)，男，安徽安慶人，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士，研究方向?yàn)榭沙掷m(xù)制造，機(jī)電產(chǎn)品再資源化， (E-mail)shouxus@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162；TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A