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CN110157977A - 一种激光再制造修复用铁基合金粉末及其制备方法与应用 - Google Patents

一种激光再制造修复用铁基合金粉末及其制备方法与应用 Download PDF

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CN110157977A
CN110157977A CN201910337098.2A CN201910337098A CN110157977A CN 110157977 A CN110157977 A CN 110157977A CN 201910337098 A CN201910337098 A CN 201910337098A CN 110157977 A CN110157977 A CN 110157977A
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张群莉
王梁
董刚
陈智君
耿国庆
沈红卫
刘霞
乔尚飞
丁玉明
李玉艳
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Zhejiang University of Technology ZJUT
Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd
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Zhejiang University of Technology ZJUT
Shanghai Electric Power Generation Equipment Co Ltd
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Abstract

本发明提供了一种激光再制造修复用铁基合金粉末及其制备方法与应用，所述合金粉末由如下质量百分比的组分组成：碳C：0.01～0.04％，铬Cr：1.0～1.2％，硅Si：0.5～0.8％，硼B：0.4％～0.7％，锰Mn：0.4～0.6％，钼Mo：0.4～0.6％，余量Fe；采用所述合金粉末及其应用方法，可在宽泛的工艺参数下获得含有特定合金元素、无气孔裂纹缺陷、性能良好的熔覆层，可实现两层激光再制造修复层表面的Cr含量接近合金粉末成分，且激光再制造修复操作过程灵活，重复性一致，效率高，相比于传统技术具有巨大的优势，可用于低压(也适用于其他高Cr超超临界转子材料)转子轴颈激光再制造修复。

Description

一种激光再制造修复用铁基合金粉末及其制备方法与应用
(一)技术领域
本发明涉及激光再制造修复技术领域，具体涉及一种适用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的低Cr铁基合金粉末及其制备方法与应用。
(二)背景技术
目前一般采用埋弧堆焊、电刷镀、热喷涂，或者将轴颈车细重新配瓦等技术手段来修复低压汽轮机转子轴颈的磨损部位。但是上述技术手段存在热输入大、效率低、涂层与基体结合不牢固、涂层致密度低等问题，而车细重新配瓦的技术手段则改变原有设计尺寸，需重新备件，且不可无限制车细，修复次数受限。
激光再制造修复作为一种先进的再制造修复技术，相较于以上传统修复技术，具有热输入少、热影响区小、基体变形小、稀释度低、界面冶金结合、涂层致密度高、修复效率高、不改变转子轴颈原有尺寸，无需重新配瓦备件等优点。因此，可通过该技术来替代传统技术，用于低压汽轮机转子轴颈部位的磨损修复。
由于需要修复的汽轮机转子均为合金钢，铁基合金不仅因成分与基体成分接近，界面结合牢固，而且相比较于镍基和钴基合金而言，成本低，易于研究和推广应用。因此，研制汽轮机转子激光再制造修复专用铁基合金粉末具有很大的价值。目前，所使用的铁基合金粉末主要有两个来源：直接购买热喷焊所使用的铁基合金粉末，或者使用激光熔覆相关研究机构和厂商研制的激光熔覆专用铁基合金粉末，但从粉末成分上看都基本沿用热喷焊粉末材料体系，含有大量的合金元素以及较高的Si、B、C，这种做法是不科学的。由于激光熔覆与热喷焊对所用合金粉末性能要求存在较大的差距，导致采用现有热喷焊用自熔剂体系合金粉末进行激光再制造修复时熔覆层容易产生裂纹，熔覆层硬度要求高时这种现象特别明显。由此可见，发明一种成本适中、应用效果显著、含有特定合金元素、适用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末，是极其必要的。
(三)发明内容
本发明旨在提供一种含有特定合金元素、成本适中、应用效果显著、效率高、适用于低压的汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末及其制备方法与应用，以解决低压汽轮机转子轴磨损修复问题。
本发明的技术方案如下：
一种激光再制造修复用铁基合金粉末，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.01～0.04％，铬Cr：1.0～1.2％，硅Si：0.5～0.8％，硼B：0.4％～0.7％，锰Mn：0.4～0.6％，钼Mo：0.4～0.6％，余量Fe。
优选的，所述激光再制造修复用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.01％，铬Cr：1.0％，硅Si：0.51％，硼B：0.41％，锰Mn：0.4％，钼Mo：0.4％，铁Fe：97.27％。
同样优选的，所述激光再制造修复用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.04％，铬Cr：1.2％，硅Si：0.8％，硼B：0.7％，锰Mn：0.6％，钼Mo：0.6％，铁Fe：96.06％。
本发明所述铁基合金粉末成分设计原理为：
碳C：0.01％～0.04％
碳会和其它合金元素形成碳化物硬质相。碳化物容易在晶界处聚集，碳含量过高，析出的碳化物增多，熔覆层裂纹敏感性增强。同时考虑到熔覆层的硬度应与基体硬度相近，因此，将碳含量设定为0.01％～0.04％。
铬Cr：1.0％～1.2％
为了获得低Cr激光再制造修复层，将Cr含量设定为1.0％～1.2％，过低将会影响激光再制造修复熔覆层工艺性能，过高将难以达到降低熔覆层Cr含量的目的。
硅Si：0.5％～0.8％
在激光再制造修复中，硅可以降低合金粉末的熔点，提高熔池的流动性和对基体的润湿性，并与氧和硼结合形成硼硅酸盐覆盖于熔池表面，起到脱氧造渣的作用，以避免熔覆层的氧化。硅含量过低，起不到脱氧造渣的作用，过高则熔覆层中残余硅含量增大，熔覆层裂纹敏感性增强，机械性能变差，同时硅和硼的作用是相互关联的，硅含量要结合硼含量设定。因此，作为一种激光再制造修复用合金粉末，硅含量设定为0.5％～0.8％。
硼B：0.4％～0.7％
在激光再制造修复过程中，硼与硅联合起到脱氧造渣的作用，同时，硼可以提高熔覆层硬度。但是硼含量太高会显著降低熔覆层韧性，太低起不到脱氧造渣的作用，考虑到硅的含量，设定硼含量为0.4％～0.7％。
锰Mn：0.4％～0.6％
锰可以适当提高熔覆层的强度和硬度，但锰含量过高，在激光再制造过程中易与氧结合形成氧化物滞留在熔覆层中，降低熔覆层的力学性能。因此，设定锰含量0.4％～0.6％。
钼Mo：0.4％～0.6％
Mo原子结合能力强，易于与C等合金元素形成化合物强化相，此外，Mo的热膨胀系数小，导热性好，在熔覆层中加入，可以使熔覆层的强度、韧性、耐热性大幅度提高。
本发明所述铁基合金粉末的粒度介于-80～+325目之间，基于面积计算的空心粉率低于1％，该空心粉率的限定依据为：
在激光再制造修复过程中，空心粉颗粒中的气体如果不能完全溢出熔池，即会在熔覆层中形成“带入性”气孔，严重时还会因气孔产生裂纹缺陷，影响熔覆层的致密性、连续性、力学性能、耐腐蚀性能等。
在实际应用中发现，当基于面积计算的空心粉率高于1％时，熔覆层中即会逐渐出现的气孔缺陷，调整工艺参数难以完全消除，因此本文所述铁基合金粉末基于面积计算的空心粉率最高限定为1％。
其中：空心粉率的定义为：粉末颗粒横截面“孔洞”面积之和与所有粉末横截面总面积之比，在计算之前，需将粉末镶嵌、磨抛，获得粉末颗粒横截面照片，为了减少测量误差，通过图片处理软件采用像素识别的方法分析处理后的图片样张：
式(1)中，Pixhallow,i为粉末颗粒横截面第i个“孔洞”的像素，Pixpowder表示包括“空洞”在内的粉末颗粒横截面总像素。
合金粉末空心粉率Pixav定义为合金粉末有限个横截面空心粉率的平均值，即：
式(2)中m表示选定的用于统计合金粉末横截面的个数，本文在合金粉末横截面随机选择3个位置，通过计算3个横截面空心粉率的平均值来作为合金粉末空心粉率。
本发明所述铁基合金粉末的制备方法为：
按照配方，将各组分原料混合，加热熔融后，在真空雾化室进行气雾化，得到雾化粉末，之后分别利用140目(109μm)和320目(45μm)系列标准筛对雾化粉末进行筛分，获得-80～+325目之间的成品铁基合金粉末；
所述气雾化的工艺参数为：雾化介质N2、熔炼温度1600℃、过热度150℃、保温温度1300℃、气体压力7MPa。
本发明还提供了所述铁基合金粉末在汽轮机转子轴颈激光再制造修复中的应用。
具体的，所述应用的方法包括如下步骤：
(a)将待修复转子轴颈表面整体切削(切削深度为0.2～1.5mm，优选0.5mm)，使用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；所述待修复转子轴颈材料例如为30Cr；
(b)将所述铁基合金粉末置于烘箱中，于100～200℃保温直至烘干；
(c)将待修复转子轴颈预热至100～300℃(优选150℃)，并置于激光器下，使用载气送粉装置向待修复转子轴颈表面均匀送入所述铁基合金粉末，激光器射出激光束辐照于转子轴颈表面并熔化所述铁基合金粉末，根据预设轨迹，使得该铁基合金粉末连续熔覆于待修复转子轴颈表面，形成熔覆层；
所述激光器光斑形状为直径5mm的光斑，激光能量均匀分布，所述激光器功率应2000～4000W，激光扫描速度为200～600mm/min，激光头保护气体为氩气；
所述载气送粉装置使用的送粉气体为氩气(Ar，纯度大于99.99％)，保护气体也为氩气，送粉速率为5～17g/min，送粉方式为同步同轴输送；
所述熔覆层单层厚度介于0.5～1.5mm(优选0.8～1.2mm)之间，熔覆道次之间的搭接率为40％～60％(优选50％)，连续熔覆时，熔覆层间温度应控制在300℃以内；
(d)完成预设范围工件表面的连续熔覆后，将工件于100～300℃(优选200℃)保温2小时后自然冷却至室温，最后将其车削至目标尺寸。
与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：
采用所述合金粉末及其应用方法，可在宽泛的工艺参数下获得含有特定合金元素、无气孔裂纹缺陷、性能良好的熔覆层，可实现两层激光再制造修复层表面的Cr含量接近合金粉末成分，且激光再制造修复操作过程灵活，重复性一致，效率高，相比于埋弧堆焊等传统技术具有巨大的优势，完全可用于低压(也适用于其他高Cr超超临界转子材料)转子轴颈激光再制造修复。
(四)附图说明
图1为实施例1所述铁基合金粉末的粉末形貌(光镜及SEM)；
图2为实施例2所述铁基合金粉末的粉末形貌(光镜及SEM)；
图3为实施例3所述铁基合金粉末的粉末形貌(光镜及SEM)；
图4为实施例4所述铁基合金粉末的粉末形貌(光镜及SEM)；
图5a激光功率至2000W，扫描速度为400mm/min，送粉量为11g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％条件下的熔覆层金相图片；
图5b激光功率至2000W，扫描速度为200mm/min，送粉量为5.0g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％条件下的熔覆层金相图片；
图5c激光功率至3000W，扫描速度为400mm/min，送粉量为11g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％条件下的熔覆层金相图片；
图5d激光功率至4000W，扫描速度为600mm/min，送粉量为17g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％条件下的熔覆层金相图片；
图6为实施例6熔覆层显微硬度测试；
图7为实施例8合金粉末基于数量方面的空心粉率1.1％时代表性熔覆层中的气孔及裂纹缺陷图片。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细描述，实施例仅用于说明本发明，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末
本实施例激光再制造修复合金粉末质量百分比由碳C：0.01％，铬Cr：1.0％，硅Si：0.51％，硼B：0.41％，锰Mn：0.4％，钼Mo：0.4％，铁Fe：97.27％组成，基于面积计算的空心粉率0.1％，粒度范围为-80～+325目。
制备方法为：
按照配方，将各组分原料混合，加热熔融后，在真空雾化室进行气雾化，得到雾化粉末，之后分别利用140目(109μm)和320目(45μm)系列标准筛对雾化粉末进行筛分，获得-80～+325目之间的成品合金粉末。合金粉末雾化工艺参数见表1：
表1合金粉末雾化工艺参数
实施例2用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末
本实施例激光再制造修复合金粉末质量百分比由碳C：0.04％，铬Cr：1.2％，硅Si：0.8％，硼B：0.7％，锰Mn：0.6％，钼Mo：0.6％，铁Fe：96.06％组成，基于面积方面的空心粉率1.0％，粒度范围为-80～+325目。
制备方法同实施例1。
实施例3用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末
本实施例激光再制造修复合金粉末质量百分比由碳C：0.02％，铬Cr：1.02％，硅Si：0.75％，硼B：0.55％，锰Mn：0.51％，钼Mo：0.53％，铁Fe：96.62％组成，基于面积计算的空心粉率0.5％，粒度范围为-80～+325目。
制备方法同实施例1。
实施例4用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末
本实施例激光再制造修复合金粉末质量百分比由碳C：0.02％，铬Cr：1.08％，硅Si：0.63％，硼B：0.59％，锰Mn：0.55％，钼Mo：0.57％，铁Fe：96.56％组成，基于面积计算的空心粉率1.1％，粒度范围为-80～+325目。
制备方法同实施例1。
实施例5实施例1所述的铁基合金粉末在激光再制造修复中的应用
采用实施例1所述的用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末，采用的激光器光斑为直径5mm的光斑，合金粉末的送粉方式为同步同轴输送。
(1)对转子轴颈部位进行整体车削加工，车削深度为单边0.5mm，用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；
(2)将整体切削后的待修复转子轴颈预热至150℃并置于激光器下，调整激光器位置至待加工区域；
(3)将实施例1所述的用于低压汽轮机转子轴颈激光再制造修复的铁基合金粉末100℃～200℃置于烘箱保温直至烘干后放入送粉器中；
(4)将激光工艺参数设定如下：
a)激光功率至2000W，扫描速度为200mm/min，送粉量为5.0g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
b)激光功率至3000W，扫描速度为400mm/min，送粉量为11g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
c)激光功率至4000W，扫描速度为600mm/min，送粉量为17g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
(5)根据实际需要重复熔覆多层至超过目标尺寸并留有加工余量，余量优选1.0mm；
(6)将工件200℃保温2小时后自然冷却至室温，最后将其车削至目标尺寸。
经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层进行EDS分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，熔覆层第二层的Cr含量已低至1.03％，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。
进行了大量试验后，择优选取激光再制造修复工艺参数如表2所述，在表2所述激光再制造修复工艺参数之下均可获得满意的熔覆层，熔覆层形貌如图5所示。
实施例6实施例2所述的铁基合金粉末在激光再制造修复中的应用
本实施例使用的粉末为实施例2合金粉末，步骤(1)～(3)、(5)～(6)与实施例5的相同，步骤(4)激光工艺参数调整如下：
a)激光功率至2250W，扫描速度为250mm/min，送粉量为6.5g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
b)激光功率至2750W，扫描速度为350mm/min，送粉量为9.5g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
c)激光功率至3250W，扫描速度为450mm/min，送粉量为12.5g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
d)激光功率至3750W，扫描速度为550mm/min，送粉量为15.5g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层进行EDS分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，熔覆层第二层的Cr含量已低至1.24％，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。
采用Hv-1000型维氏显微硬度计，进行熔覆层硬度测试，试验方法依据《GB/T4340.1-2009金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》，试验压力为300gf(2.942N)，点距0.15mm，保载时间为10s，共测试25点，测试结果见图6。熔覆层底部最高硬度为350Hv0.3，随着层数增加，硬度会有下降趋势，二层之后硬度便几乎无变化，熔覆层顶部硬度最低降至230Hv0.3。
实施例7实施例3所述的铁基合金粉末在激光再制造修复中的应用
本实施例使用的粉末为实施例2合金粉末，步骤(1)～(3)、(5)～(6)与实施例5的相同，步骤(4)激光工艺参数调整如下：
a)激光功率至2500W，扫描速度为300mm/min，送粉量为8g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
b)激光功率至3500W，扫描速度为500mm/min，送粉量为14g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
经着色探伤未见裂纹显像，熔覆层组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷。对熔覆层进行EDS分析，在未考虑原子序数8之前的元素时，熔覆层第二层的Cr含量已低至1.03％，熔覆层顶部的元素已基本接近所设计合金粉末的原始成分。
以上实施例，为本发明较佳的实施方式，可以获得组织致密，无气孔、夹杂、裂纹等缺陷的熔覆层，同时能够减少熔覆层数，两层以后，熔覆层Cr含量已基本接近所设计合金粉末的原始成分，可很大程度的节约工时和材料，提高转子轴颈表面改性效率，具有较好的应用前景。
实施例8实施例4所述的铁基合金粉末在激光再制造修复中的应用
本实施例使用的粉末为实施例4合金粉末，步骤(1)～(3)、(5)～(6)与实施例5的相同，步骤(4)激光工艺参数调整如下：
a)激光功率至2000W，扫描速度为200mm/min，送粉量为5.0g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
b)激光功率至3000W，扫描速度为400mm/min，送粉量为11g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
c)激光功率至4000W，扫描速度为600mm/min，送粉量为17g/min，送粉载气流量为600L/h，保护气流量为10L/min，搭接率为50％。
所述实施例4合金粉末基于面积方面的空心粉率已高于1％，空心粉颗粒中的气体已不能完全溢出熔池，在熔覆层中形成气孔，严重时还会因气孔产生裂纹缺陷，如图7所示。
以上所述，详细说明了本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，所轻易想到的变化，所作的任何修改、等同替换等，都应涵盖在本发明的保护范围之内，例如：本发明的激光再制造修复用合金粉末也可用于其它高Cr超临界及超超临界汽轮机转子轴颈的激光再制造修复上。
表2激光再制造修复较优工艺参数

Claims (6)

1.一种激光再制造修复用铁基合金粉末，其特征在于，由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.01～0.04％，铬Cr：1.0～1.2％，硅Si：0.5～0.8％，硼B：0.4％～0.7％，锰Mn：0.4～0.6％，钼Mo：0.4～0.6％，余量Fe。
2.如权利要求1所述的激光再制造修复用铁基合金粉末，其特征在于，所述激光再制造修复用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.01％，铬Cr：1.0％，硅Si：0.51％，硼B：0.41％，锰Mn：0.4％，钼Mo：0.4％，铁Fe：97.27％。
3.如权利要求1所述的激光再制造修复用铁基合金粉末，其特征在于，所述激光再制造修复用铁基合金粉末由如下质量百分比的组分组成：
碳C：0.04％，铬Cr：1.2％，硅Si：0.8％，硼B：0.7％，锰Mn：0.6％，钼Mo：0.6％，铁Fe：96.06％。
4.如权利要求1所述的激光再制造修复用铁基合金粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：
按照配方，将各组分原料混合，加热熔融后，在真空雾化室进行气雾化，得到雾化粉末，之后分别利用140目和320目系列标准筛对雾化粉末进行筛分，获得-80～+325目之间的成品铁基合金粉末；
所述气雾化的工艺参数为：雾化介质N2、熔炼温度1600℃、过热度150℃、保温温度1300℃、气体压力7MPa。
5.如权利要求1所述的激光再制造修复用铁基合金粉末在汽轮机转子轴颈激光再制造修复中的应用。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述应用的方法包括如下步骤：
(a)将待修复转子轴颈表面整体切削，切削深度为0.2～1.5mm，使用丙酮清洗切削后的转子轴颈，去油去污；所述待修复转子轴颈材料为30Cr；
(b)将所述铁基合金粉末置于烘箱中，于100～200℃保温直至烘干；
(c)将待修复转子轴颈预热至100～300℃，并置于激光器下，使用载气送粉装置向待修复转子轴颈表面均匀送入所述铁基合金粉末，激光器射出激光束辐照于转子轴颈表面并熔化所述铁基合金粉末，根据预设轨迹，使得该铁基合金粉末连续熔覆于待修复转子轴颈表面，形成熔覆层；
所述激光器光斑形状为直径5mm的光斑，激光能量均匀分布，所述激光器功率应2000～4000W，激光扫描速度为200～600mm/min，激光头保护气体为氩气；
所述载气送粉装置使用的送粉气体为氩气，保护气体也为氩气，送粉速率为5～17g/min，送粉方式为同步同轴输送；
所述熔覆层单层厚度介于0.5～1.5mm之间，熔覆道次之间的搭接率为40％～60％，连续熔覆时，熔覆层间温度控制在300℃以内；
(d)完成预设范围工件表面的连续熔覆后，将工件于100～300℃保温2小时后自然冷却至室温，最后将其车削至目标尺寸。
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