激光再制造汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能研究

郭士銳，董 剛，葉 鐘，姚建華

（1.浙江工業(yè)大學(xué)激光加工技術(shù)工程研究中心，杭州310014；2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，杭州310022）

激光熔覆綠色再制造技術(shù)是一種新型的先進(jìn)修復(fù)技術(shù)，它不僅能使損傷的零部件恢復(fù)外形尺寸，還能使其性能達(dá)到甚至超過新品的水平［1］.該技術(shù)相對(duì)于其他傳統(tǒng)工藝有較多優(yōu)點(diǎn)，例如激光作用時(shí)間短，修復(fù)層稀釋率低，修復(fù)區(qū)熱影響區(qū)小，工件變形小；冷卻速度快，可以細(xì)化晶粒，產(chǎn)生亞穩(wěn)相、非晶相和超彌散相等；修復(fù)層與基體冶金結(jié)合，強(qiáng)度高；修復(fù)過程可控性好，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；對(duì)環(huán)境無(wú)污染等［2-4］.

由于在加工過程中，鐵屑等雜質(zhì)殘存在潤(rùn)滑油系統(tǒng)中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的軸頸特別容易磨損［5］.Tabernero等［6-7］對(duì)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和葉片激光修復(fù)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的涂層性能優(yōu)于基體.Richter等［7］提出可將激光熔覆綠色再制造技術(shù)用于轉(zhuǎn)子的修復(fù).然而，目前對(duì)激光再制造的研究一般只涉及其微觀組織和硬度等性能，很少有針對(duì)其機(jī)械力學(xué)性能的研究.

筆者以汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子為研究對(duì)象，使用大功率半導(dǎo)體激光器對(duì)28CrMoNiV 基體進(jìn)行激光再制造，在室溫下對(duì)激光再制造層與基體的復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、沖擊和彎曲試驗(yàn)，研究其抗拉性能、抗沖擊性能和抗彎曲性能，并分析其斷口形貌與強(qiáng)化機(jī)理，為其機(jī)械工業(yè)應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)基體采用汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子28CrMoNiV 材料，其化學(xué)成分見表1.

表1 28CrMoNiV材料的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of steel 28CrMoNiV %

針對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的要求，在保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子修復(fù)后的綜合跳動(dòng)（TIR）控制在6.35μm 以內(nèi)的前提下，確定選用鐵基粉末進(jìn)行激光再制造試驗(yàn).自行研制的鐵基自熔性合金粉末粒度為45～109μm，其具體的化學(xué)成分見表2.

表2 鐵基合金粉末的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of the Fe-based alloy powder %

1.2 方法

首先將鐵基粉末加熱到120℃烘干2h，然后將28CrMoNiV 基體表面用丙酮清理干凈再進(jìn)行激光再制造.采用德國(guó)LDF400-2000型大功率半導(dǎo)體柔性光纖耦合激光器，其輸出波長(zhǎng)為900～1 030nm，最高輸出功率為2 000 W；采用自行研制的具有閉環(huán)反饋流量控制的同軸送粉裝置，其輸送范圍為2～50g／min，送粉載氣為氬氣；運(yùn)動(dòng)裝置采用IRB2400／16型6自由度機(jī)器人.試驗(yàn)的主要工藝參數(shù)見表3.

表3 激光再制造的工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of the laser cladding technology

試驗(yàn)完成后，首先利用磨床對(duì)激光再制造表面的熔覆材料進(jìn)行磨削，去除氧化皮，然后采用電火花線切割機(jī)分別對(duì)激光再制造制備所得鐵基材料與基體的復(fù)合材料切取一定數(shù)量的拉伸試樣、V 形缺口的沖擊試樣和彎曲試樣，試樣的熔覆再制造層厚度均為0.5mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)設(shè)備為WEW-100B 微機(jī)液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照GB／T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行測(cè)試.激光再制造層與基體復(fù)合材料的試件數(shù)量為6，對(duì)其分別編號(hào).拉伸試樣的再制造層厚度為0.5mm，其尺寸示意圖見圖1.

由拉伸試驗(yàn)得到的抗拉強(qiáng)度見表4.根據(jù)JB／T 7022—2002《工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件技術(shù)條件》，基體28CrMoNiV 鍛件經(jīng)過熱處理后的抗拉強(qiáng)度為700～850 MPa，綜合所得測(cè)試數(shù)據(jù)，激光再制造層與基體復(fù)合材料的平均抗拉強(qiáng)度為862.5 MPa，較基體的平均抗拉強(qiáng)度775 MPa提高11.29%.

圖1 拉伸試樣示意圖（單位：mm）Fig.1 Specimen for the tensile test（unit：mm）

表4 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Results of the tensile test MPa

2.2 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)設(shè)備為JB-300B 型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，最大沖擊能量為300J，擺錘預(yù)揚(yáng)角為150°，沖擊速度為5.2m／s，擺軸中心至打擊中心的距離為750 mm.沖擊試樣缺口位于再制造層相背方向，其中再制造層厚度為0.5mm，具體尺寸如圖2所示.

圖2 沖擊試樣示意圖（單位：mm）Fig.2 Specimen for the impact test（unit：mm）

沖擊試驗(yàn)時(shí)，激光再制造層與基體復(fù)合材料的沖擊吸收功可由試驗(yàn)機(jī)讀出.

根據(jù)JB／T 7022—2002《工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件技術(shù)條件》，基體28CrMoNiV 鍛件經(jīng)過熱處理后的沖擊吸收功≥24J.綜合測(cè)試結(jié)果（見表5）可知，激光再制造層與基體復(fù)合材料的沖擊吸收功較大.

2.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)設(shè)備為WDW-20型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，額定載荷為20kN，按照YB／T 5349—2006《金屬?gòu)澢W(xué)性能試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，其加載力速率為36N／s.復(fù)合材料數(shù)量為6，基體材料數(shù)量為3，對(duì)其分別編號(hào)，其中再制造層厚度為0.5mm，彎曲試樣示意圖見圖3.

表5 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Results of the impact test

圖3 彎曲試樣示意圖（單位：mm）Fig.3 Specimen for the bending test（unit：mm）

彎曲試驗(yàn)的最大彎曲力Fbb可由試驗(yàn)機(jī)讀出，抗彎強(qiáng)度σbb的計(jì)算公式為

式中：σbb為抗彎強(qiáng)度，N；Fbb為最大彎曲力，N；Ls為跨距，mm；W為試樣截面系數(shù)，mm3.

2組試件彎曲試驗(yàn)所得的抗彎強(qiáng)度見表6.綜合測(cè)試結(jié)果可知，激光熔覆再制造層與基體復(fù)合材料的平均抗彎強(qiáng)度較基材材料提高約24.11%.

表6 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Results of the bending test N

2.4 抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度與抗彎強(qiáng)度的分析

激光熔覆再制造層與基體復(fù)合材料的力學(xué)性能滿足并聯(lián)模型的混合律，可以根據(jù)單向復(fù)合材料性能的體積分?jǐn)?shù)混合律進(jìn)行計(jì)算.并聯(lián)力學(xué)性能模型的混合律如下［8］

式中：α為復(fù)合材料的力學(xué)性能；αf為基體材料的力學(xué)性能；αm為增強(qiáng)材料的力學(xué)性能；φf為基體材料的體積分?jǐn)?shù)；φm為增強(qiáng)材料的體積分?jǐn)?shù).

由于激光熔覆的鐵基合金粉末物理參數(shù)未知，不能定量表達(dá)復(fù)合材料的力學(xué)性能與基體和增強(qiáng)體之間的精確關(guān)系，但通過試驗(yàn)可定性分析.試驗(yàn)中拉伸試件、沖擊試件和彎曲試件的熔覆再制造層厚度均為0.5mm，其中拉伸試件、沖擊試件和彎曲試件基體層厚度分別為1.5mm、9.5mm 和1.5mm.由式（3）可知，激光熔覆再制造層與基體復(fù)合材料的平均力學(xué)性能與組元材料的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，復(fù)合材料力學(xué)性能的提高主要是由于激光再制造層力學(xué)性能較優(yōu)引起的.激光熔覆再制造層中的夾渣和氣孔等缺陷是影響零件力學(xué)性能的重要因素，而試驗(yàn)中再制造粉末中的合金元素經(jīng)過多次選配調(diào)整，再經(jīng)過激光熔覆后其組織細(xì)密，無(wú)氣孔與裂紋等缺陷.另外，由于激光再制造過程中金屬粉末瞬間熔化凝固并冷卻，使激光再制造層具有快速凝固特性，涂層晶粒細(xì)小，結(jié)構(gòu)致密，從而其機(jī)械性能提高.

通過掃描電鏡對(duì)拉伸試樣的斷口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)基體的斷面較為平坦，有晶粒形狀的凸起和凹陷，具有明顯的低塑性解理斷裂特征，屬脆性斷裂，如圖4（a）所示.這主要是因?yàn)?8CrMoNiV 基體的晶格結(jié)構(gòu)為體心立方，在室溫下屬于低溫脆性材料.而圖4（b）中激光再制造層的斷面起伏不平，可以清晰地看到晶粒的輪廓和晶粒的截面，具有明顯的沿晶斷裂特征.復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度提高的主要原因是激光再制造層中一次晶軸與二次晶軸的數(shù)量遠(yuǎn)大于基體材料，極小又細(xì)密的晶粒在合金材料塑性變形時(shí)，高密度的位錯(cuò)阻礙了其滑移，從而提高了再制造層強(qiáng)度，即提高了復(fù)合材料的強(qiáng)度.

圖4 拉伸試樣的斷口形貌Fig.4 Fracture appearance of the tensile specimen

對(duì)沖擊試樣的斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)基體的斷面主要在晶面上呈河流花樣的白色條狀紋，另外在白色條紋帶上的細(xì)枝中有少而淺的韌窩，局部有較深的韌窩，如圖5（a）所示，這說明基體材料的斷裂形式主要為脆性斷裂.由圖5（b）可以明顯看出，激光再制造層的斷面有晶粒輪廓的特征，斷口由許多小的晶面組成，在圖5（b）的右下方有柱狀樹枝晶的截面，由于激光再制造層內(nèi)部主要為交叉的樹枝晶，裂紋撕裂晶界，并沿其擴(kuò)展，因此其斷裂形式為脆性沿晶斷裂.由于激光再制造層晶粒相對(duì)基體材料小而密集，因此其裂紋擴(kuò)展路徑曲折，需要消耗更大的能量，裂紋萌生功提高，從而提高了其韌性.

圖5 沖擊試樣的斷口形貌Fig.5 Fracture appearance of the impact specimen

2.5 轉(zhuǎn)子實(shí)物再制造

通過基體的力學(xué)性能分析，最后采用鐵基粉末按照表3中的工藝參數(shù)對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸實(shí)物進(jìn)行激光再制造，如圖6所示.通過綜合跳動(dòng)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)物的激光再制造層在0.5mm 厚度時(shí)的表面綜合跳動(dòng)值為2.5μm，遠(yuǎn)小于6.35μm，符合美國(guó)石油協(xié)會(huì)API 612—2005《石油、石化和天然氣工業(yè)用特種用途汽輪機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.

圖6 激光再制造汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子Fig.6 Photo of the turbine rotor remanufactured by laser cladding

3 結(jié) 論

（1）激光再制造層與基體復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度較基體材料28CrMoNiV 的平均抗拉強(qiáng)度提高11.29%，激光再制造層與基體復(fù)合材料的平均沖擊吸收功為39J，激光再制造層與基體復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度較基體的平均抗彎強(qiáng)度提高24.11%.

（2）根據(jù)并聯(lián)力學(xué)性能模型的混合律，激光熔覆再制造層與基體復(fù)合材料的力學(xué)性能與組元材料的體積分?jǐn)?shù)呈線性關(guān)系，復(fù)合材料力學(xué)性能的提高主要是由于激光再制造層的力學(xué)性能優(yōu)于基體材料28CrMoNiV.

（3）通過對(duì)拉伸與沖擊試樣斷口的微觀分析，得出基體主要為解理脆性斷裂，激光再制造層為沿晶脆性斷裂.復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提高主要是因?yàn)榧す庠僦圃鞂又幸淮尉лS與二次晶軸的數(shù)量遠(yuǎn)大于基體材料，高密度的位錯(cuò)阻礙了滑移，從而提高了強(qiáng)度.復(fù)合材料沖擊韌性的提高主要是由于激光再制造層晶粒相對(duì)基體材料小而密集，使得裂紋擴(kuò)展路徑曲折，需要消耗更大的能量，裂紋萌生功提高，從而提高了韌性.

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