修复受损鼓风机叶片的激光熔覆镍基合金粉末及修复方法

摘要

本发明公开了一种修复受损鼓风机叶片的激光熔覆镍基合金粉末及修复方法，包括质量百分比的原料：Cr？12.0～18.0％；Ni？40～47％；W？1.0～3.0％；Mo？2.0～4.0％；Fe？30.0～40.0％；Co？2.0～4.0％。修复方法包括：首先对受损鼓风机叶片进行熔覆前预处理；采用数控激光熔覆机，以氩气气氛下，采用CO2激光器为发射激光源，以及锥形粉束同轴送粉方式，将配制的混合粉体对受损鼓风机叶片进行多道搭接激光熔覆。本发明创新采用Co和Cr两种元素稳定主相，添加W和Mo提高韧性和耐冲蚀性，减少熔覆层多道搭接时开裂现象。本发明的设计简单合理，在保证轴流风机叶轮修复质量的前提下，能有效的提高叶轮表面的抗冲刷腐蚀能力，为延长风机的使用寿命提供了一种高性能、高可靠性的熔覆粉末材料。

说明书

技术领域

本发明涉及机械设备表面再制造技术领域，更具体的涉及一种运用激光熔 覆技术提升叶轮叶片表面抗冲刷腐蚀性能的镍基合金熔覆粉末的设计，属于表 面工程与再制造技术领域。

背景技术

在石油和冶金领域中，大型鼓风机是必备的动力设备之一。风机在服役期 间，其主轴、叶轮、叶片等核心零部件易受到Al₂O₃、SiO₂等固体颗粒的冲刷及 H₂S、SO₂、CO₂、CO等化学物质的腐蚀，使得零部件表面极易发生磨损，最终 导致失效。目前，解决此问题的途径有两种，其一是在制造新产品时采用2Cr13、 0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢等材料制备叶轮及叶片，并利用离子渗氮技术进行表面强 化处理，但效果有限，不能有效地抵抗工作环境下高强度的冲刷腐蚀；另一种 途径是利用激光熔覆技术对已破损的机械零部件进行表面修复，同时通过在熔 覆粉末中掺杂Ni、Co、W、Mo等金属元素以提高产品表面的抗腐蚀性能，该方 法能显著提高产品的使用寿命，同时可以减少材料损耗、降低成本，也符合国 家倡导的节能环保、绿色制造的发展理念。

针对叶轮常用材料马氏体不锈钢Fv520B，激光熔覆时要求熔覆粉末具有较 高的硬度，目前可适用的熔覆粉末主要有Fe基合金、Co基合金和Ni基合金。其 中，Fe基合金粉末与基体成分相近，可以显著提高熔覆层与基体的界面结合力， 但Fe基合金粉末的抗腐蚀性能较差，难以满足复杂工况的要求；Co基合金粉末 相对于铁基合金粉末来说，可以有效的提高叶轮表面的抗腐蚀性能，但熔覆层 的硬度明显降低，且熔覆层表面的平整度不高；Ni基合金粉末相对于Fe基和Co 基两种合金粉末来说，虽然成本最高，但抗腐蚀性能最好，且熔覆层的硬度最 高。因此，为了提高叶轮抗冲刷腐蚀性能，采用Ni基粉末最为适宜，但Ni基粉 末极易导致熔覆层产生裂纹，若能通过调整合金粉末的成分和比例以及熔覆工 艺，可有望抑制熔覆层裂纹的产生。基于此，如何设计并开发适用于叶轮抗冲 刷腐蚀的激光熔覆镍基合金粉末具有重大的研究意义和使用价值。

发明内容

本发明的目的是针对Fv520B不锈钢叶轮叶片提供一种抗冲刷腐蚀的激光 熔覆镍基合金粉末配方。该配方以Ni元素为主，并利用Fe、Cr、Mo、W、Co 等元素改善基材和熔覆层材料的相容性，使熔覆层具有较强的硬度和强度，并 有效的提高熔覆层表面的耐腐蚀性能，为轴流风机叶轮的激光熔覆修复提供一 种可行的熔覆粉末。

为达到上述目的，根据本发明的实施例提供的一种用于修复受损鼓风机叶 片的激光熔覆镍基合金粉末，其特征在于，包括下述质量百分比的原料：

Cr12.0～18.0％；Ni40～47％；W1.0～3.0％；Mo2.0～4.0％；Fe30.0～ 40.0％；Co2.0～4.0％。

相应地，本发明给出了一种利用激光熔覆镍基合金粉末修复受损鼓风机叶 片的方法，该方法包括下述步骤：

1)对Fv520B型不锈钢受损鼓风机叶片进行熔覆前常规预处理：去油、去 锈并砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，最后用丙酮、酒精清洗干净；

2)配比激光熔覆镍基合金粉末：将Cr、Ni、W、Mo、Fe、Co按照质量比 进行混合；

3)采用数控激光熔覆机，以氩气为保护气，采用CO₂激光器为发射激光源， 以及锥形粉束同轴送粉方式，将步骤2)配制的混合粉体对受损鼓风机叶片进行 多道搭接激光熔覆，搭接系数为0.6，熔覆层厚度为1.0mm。

进一步，所述步骤2)中，激光熔覆镍基合金粉末按照下述质量百分比原料 配制：

Cr12.0～18.0％；Ni40～47％；W1.0～3.0％；Mo2.0～4.0％；Fe30.0～ 40.0％；Co2.0～4.0％。

进一步，所述激光熔覆的功率为2.5～3.5KW、光斑直径为3.0～4.0mm、扫 描速度为3.0～5.0mm/s、送粉速度为8.0～11.0g/min。

进一步，在叶片基材上采用镍基合金粉末进行激光熔覆多道搭接，在熔覆 层形成奥氏体主相，其韧性为283～298HV，室温下冲击功Ak_V为10.6～12.7J， 600℃的Ak_V为12.7～16.4J；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.0468～ 0.172V和2.32×10^-7～2.83×10^-7A/cm³；盐雾腐蚀环境下熔覆层出现锈斑的时间 为162～171h。

进一步，采用所述激光熔覆的方式用镍基合金粉末进行搭接在稿强度冲刷 腐蚀叶片表面应用。

本发明的有益效果如下：

本发明所设计的Ni基合金熔覆粉末Ni元素为主，并添加了Cr、Fe、Mo、W 和Co等元素。其中添加Cr和Mo元素可以提高熔覆合金层的强度和硬度；添加适 量Co、W元素可以提高熔覆合金的润湿性及耐磨性；添加Fe元素，可以增强基 材和熔覆层材料的相容性；添加W和Mo提高韧性和耐冲蚀性，减少熔覆层多道 搭接时开裂现象。实验表明，此Ni基合金粉末形成的熔覆层力学和防腐性能强， 可显著提升Fv520B不锈钢叶轮的抗冲刷腐蚀性能。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 的描述。

本发明利用激光熔覆镍基合金粉末修复受损鼓风机叶片的方法，包括下述 步骤：

1)选取Fv520B型不锈钢为基体，加工成70mm×40mm×10mm的试块， 试样表面去油、去锈，并用砂纸打磨至表面粗糙度为Ra＝0.2μm，然后用丙酮、 酒精在超声波清洗中清洗干净，进行熔覆前预处理；

2)配比激光熔覆用不同成分的Ni基合金粉末：将Cr、Ni、W、Mo、Fe、 Co按照质量比进行混合；

激光熔覆镍基合金粉末按照下述质量百分比原料配制：

12.0～18.0％Cr、40～47％Ni、1.0～3.0％W、2.0～4.0％Mo、30.0～40.0％Fe、 2.0～4.0％Co。

3)采用HGL-JKR5250多功能数控激光熔覆机，在氩气保护气氛下，CO₂激光器为发射激光源，采用锥形粉束同轴送粉法进行多道搭接激光熔覆,搭接系 数为60％，熔覆层厚度约为1mm。基体工艺参数为：激光功率2.5kW,光斑直 径3mm，扫描速度3mm/s，送粉速度10g/mm。

4)熔覆后进行微观结构和性能检测。

将熔覆后的试样沿垂直于扫描方向线切割,熔覆层表面及横断面均用渗透 法检测裂纹，微观结构表征采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、金相显微 镜、能谱(EDAX)；耐蚀性和力学性能采用盐雾腐蚀试验、电化学腐蚀试验、显 微硬度和冲击试验进行评价，其中，盐雾腐蚀试验(时间480h)和电化学腐蚀 试验条件如表一所示。

表一腐蚀实验腐蚀条件

本实施方式中的试样选取与大型鼓风机叶片材质相同，从上试验结果可以 证明，采用激光熔覆的方式用镍基合金粉末对鼓风机叶片进行搭接。且表一结 果证明采用该方式，其韧性为283～298HV，室温下冲击功Ak_V为10.6～12.7J， 600℃的Ak_V为12.7～16.4J；电化学试验腐蚀电位和腐蚀电流分别为-0.0468～ 0.172V和2.32×10^-7～2.83×10^-7A/cm³；盐雾腐蚀环境下熔覆层出现锈斑的时间 为162～171h。

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例中Ni基合金粉末成分及质量百分比为：12.0％Cr、40％Ni、1.0％W、 3.0％Mo、40.0％Fe、4.0％Co。激光熔覆机的功率P为3.0KW、光斑直径D为3.0mm、 扫描速度VS为3.0mm/s、送粉速度Vf为10g/min。

激光熔覆完成后，样品熔覆层表面光亮、无裂纹、平整性好，物相以奥氏 体为主相、铁素体为辅相，纤维组织为细小的树枝晶，发展良好；硬度为515～ 530HV；室温下冲击功Ak_V为10.6J，600℃的Ak_V为12.7J；电化学试验腐蚀电 位和腐蚀电流分别为0.172V和2.32×10^-7A/cm³；盐雾腐蚀环境下基体与熔覆层 出现锈斑的时间分别为72h和162h，对比可知样品基体的抗盐雾腐蚀能力得到 了显著提升。实验结果表明，使用本实施例中Ni基合金粉末进行激光熔覆后， 样品的抗冲刷腐蚀性能得到明显提升，可以有效的延长基体的寿命。

实施例2

本实施例中Ni基合金粉末成分及质量百分比为：15.5％Cr、45.0％Ni、1.5％W、 4.0％Mo、32.0％Fe、2.0％Co。激光熔覆机的功率P为3.5KW、光斑直径D为4.0mm、 扫描速度VS为3.5mm/s、送粉速度Vf为8g/min。

激光熔覆完成后，样品熔覆层表面光亮、无裂纹、平整性好，物相以奥氏 体为主相、铁素体为辅相，纤维组织为细小的树枝晶，发展良好；硬度为520～ 535HV；室温下冲击功Ak_V为15.6J，600℃的Ak_V为16.4J；电化学试验腐蚀电 位和腐蚀电流分别为-0.0468V和2.83×10^-7A/cm³；盐雾腐蚀环境下基体与熔覆 层出现锈斑的时间分别为72h和171h，对比可知样品基体的抗盐雾腐蚀能力得 到了显著提升。实验结果表明，使用本实施例中Ni基合金粉末进行激光熔覆后， 样品的抗冲刷腐蚀性能得到明显提升，可以有效的延长基体的寿命。

实施例3

本实施例中Ni基合金粉末成分及质量百分比为：18.0％Cr、47.0％Ni、1.0％W、 2.0％Mo、30.0％Fe、2.0％Co。激光熔覆机的功率P为2.5KW、光斑直径D为3.0mm、 扫描速度VS为5.0mm/s、送粉速度Vf为11g/min。

激光熔覆完成后，样品熔覆层表面光亮、无裂纹、平整性好，物相以奥氏 体为主相、铁素体为辅相，纤维组织为细小的树枝晶，发展良好；硬度为510～ 532HV；室温下冲击功Ak_V为12.7J，450℃的Ak_V为13.5J；电化学试验腐蚀电 位和腐蚀电流分别为0.0514V和2.56×10^-7A/cm³；盐雾腐蚀环境下基体与熔覆 层出现锈斑的时间分别为72h和165h，对比可知样品基体的抗盐雾腐蚀能力得 到了显著提升。实验结果表明，使用本实施例中Ni基合金粉末进行激光熔覆后， 样品的抗冲刷腐蚀性能得到明显提升，可以有效的延长基体的寿命。

在提升Fv520B型叶轮表面的抗冲刷腐蚀性能方面，本发明研发的激光熔覆 Ni基合金粉末相对于其它合金粉末更具优势，因为本发明采用奥氏体为主相， Co和Cr两种元素稳定主相，添加W和Mo提高韧性和耐冲蚀性，同时减少熔 覆层多道搭接时开裂现象。在保证叶轮修复质量的前提下，能有效的提高叶轮 表面的耐冲蚀性和使用寿命。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并 非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技 术方案范围情况下，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许 多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本 发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修 改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。