激光熔覆強化和修復薄壁型零部件關鍵技術基礎研究.pdf

1、激光熔覆工藝可以獲得與基材形成冶金結合、稀釋率小、組織致密的熔覆層，在大型零部件強化表面與修復領域具有廣泛的應用前景。由于大型零部件體積大、導熱快，激光熔覆主要關心熔覆層中氣孔、夾雜和裂紋等質量問題。另一方面，在航空航天領域，存在大量用高溫合金制造的薄壁型零件如葉片。薄壁零件激光熔覆不僅要關心熔覆層的冶金質量和性能，還要關注零件的變形。但是，由于各種原因，薄壁零件精密激光熔覆關鍵技術的研究非常有限，迫切需要進行薄壁零件激光熔覆的基礎研究

2、。
　　 本文從激光模式（低階模和多模）、激光輸出方式（連續(xù)和脈沖）、高溫合金的種類（鑄造高溫合金和變形高溫合金）、異種金屬耦合的綜合性能等方面入手，對薄壁型零件的激光熔覆工藝、變形控制、熔覆層冶金缺陷和激光器的選型進行了系統(tǒng)和深入的研究。得到的主要結果如下：
　　 系統(tǒng)進行了低階模CO2激光器熔覆層界面形狀的研究。研究發(fā)現(xiàn)：當離焦量e在激光聚焦深度△之內，即e<△時，基體局部熔化較深，稀釋率大，熔覆層界面不完整，呈“蘑

3、菇”狀；當離焦量e在激光聚焦深度△之外，即e＞△時，基體熔化淺而均勻，稀釋率小，熔覆層界面完整，呈平底狀。因此，低階模CO2激光器熔覆時，樣品與聚焦鏡之間的距離L要大于F+△（F為聚焦透鏡的焦距），然后通過優(yōu)化激光功率、掃描速度等工藝參數可以得到與基材呈冶金結合、稀釋率低、熔合界面完整的激光熔覆層。
　　 通過對薄板激光熔覆變形的研究，結果表明，隨激光功率、掃描速度和線能量增大，彎曲角逐漸增大，當激光功率、掃描速度和線能量增大到

4、一定的程度后，彎曲角反而減?。辉诩す馊鄹矡釕ψ饔孟?，薄平板在橫向和縱向同時產生收縮變形，薄平板成為鞍形。而細長的L型試樣，主要在縱向產生收縮變形，熔覆面變成為拋物線形。研究表明：沿板厚方向的溫度梯度和基材的屈服強度的分布，以及基材熔化區(qū)三者共同決定了彎曲變形的大小。
　　 采用連續(xù)和脈沖CO2激光器進行了GH4133合金熔覆StelliteX-40合金的工藝試驗，結果表明，連續(xù)CO2激光器熔覆層沒有裂紋，僅在熔化深度較大時，熔

5、覆層經時效處理后可能在熱影響區(qū)出現(xiàn)再熱裂紋。而脈沖CO2激光器熔覆層產生了嚴重裂紋，裂紋形成和擴展的機理：在脈沖激光形成的交變溫度場和熱應力場作用下，在熔合線形成裂紋，裂紋沿著晶界分布的鏈狀析出物向母材擴展。
　　 在K403合金上開展脈沖CO2激光器熔覆StelliteX-40合金工藝試驗研究，并與連續(xù)CO2激光器的試驗進行對比。結果表明，當連續(xù)CO2激光器熔覆的線能量大于320J/mm時，熔覆層出現(xiàn)熱裂紋；而對于脈沖CO2激

6、光器，線能量大于562J/mm熔覆層才出現(xiàn)熱裂紋。顯然，脈沖CO2激光器熔覆使K403合金的熱敏感性降低，工藝參數可調范圍更大，能夠解決鑄造高溫合金激光熔覆出現(xiàn)熱裂紋的難題。
　　 通過連續(xù)和脈沖CO2激光器熔覆鑄造高溫合金K403和變形高溫合金GH4133的工藝試驗研究發(fā)現(xiàn)，高溫合金的特性對CO2激光器的種類非常敏感，根據高溫合金的特性選擇激光器是非常重要的。提出了鑄造高溫合金和變形高溫合金激光熔覆設備的選用原則：鑄造高溫合金

7、對熱裂紋比較敏感，應該選擇脈沖CO2激光器，其激光熔覆工藝參數可調范圍大；變形高溫合金對再熱裂紋比較敏感，應該采用連續(xù)CO2激光器進行激光熔覆。
　　 在上述工藝研究的基礎上，開展了薄壁型GH4133合金連續(xù)CO2激光熔覆StelliteX-40合金異種金屬熔覆層的綜合性能研究。結果表明，StelliteX-40合金熔覆層在人造海水中腐蝕速率比GH4133合金的??；經過17～800℃熱循環(huán)，熱疲勞裂紋在熔合線GH4133合金一側

8、形成，并沿著晶界向GH4133合金內部擴展；在800℃的25%wtNaCl+75%wtNa2SO4熔鹽中，由于GH4133合金中形成Ni3S2·Ni低熔點共晶體，GH4133基體發(fā)生了全面均勻的熱腐蝕；而StelliteX-40合金中Cr向表面聚集形成致密的氧化膜，阻止了硫在熔覆層中擴散，減緩熱腐蝕進程。綜合GH4133和StelliteX-40合金耦合的試驗結果來看，StelliteX-40合金涂層的性能均優(yōu)于GH4133合金，采用S