激光熔覆强化和修复薄壁型零部件关键技术基础研究

摘要

激光熔覆工艺可以获得与基材形成冶金结合、稀释率小、组织致密的熔覆层，在大型零部件强化表面与修复领域具有广泛的应用前景。由于大型零部件体积大、导热快，激光熔覆主要关心熔覆层中气孔、夹杂和裂纹等质量问题。另一方面，在航空航天领域，存在大量用高温合金制造的薄壁型零件如叶片。薄壁零件激光熔覆不仅要关心熔覆层的冶金质量和性能，还要关注零件的变形。但是，由于各种原因，薄壁零件精密激光熔覆关键技术的研究非常有限，迫切需要进行薄壁零件激光熔覆的基础研究。
　　 本文从激光模式（低阶模和多模）、激光输出方式（连续和脉冲）、高温合金的种类（铸造高温合金和变形高温合金）、异种金属耦合的综合性能等方面入手，对薄壁型零件的激光熔覆工艺、变形控制、熔覆层冶金缺陷和激光器的选型进行了系统和深入的研究。得到的主要结果如下：
　　 系统进行了低阶模CO2激光器熔覆层界面形状的研究。研究发现：当离焦量e在激光聚焦深度△之内，即e<△时，基体局部熔化较深，稀释率大，熔覆层界面不完整，呈“蘑菇”状；当离焦量e在激光聚焦深度△之外，即e＞△时，基体熔化浅而均匀，稀释率小，熔覆层界面完整，呈平底状。因此，低阶模CO2激光器熔覆时，样品与聚焦镜之间的距离L要大于F+△（F为聚焦透镜的焦距），然后通过优化激光功率、扫描速度等工艺参数可以得到与基材呈冶金结合、稀释率低、熔合界面完整的激光熔覆层。
　　 通过对薄板激光熔覆变形的研究，结果表明，随激光功率、扫描速度和线能量增大，弯曲角逐渐增大，当激光功率、扫描速度和线能量增大到一定的程度后，弯曲角反而减小；在激光熔覆热应力作用下，薄平板在横向和纵向同时产生收缩变形，薄平板成为鞍形。而细长的L型试样，主要在纵向产生收缩变形，熔覆面变成为抛物线形。研究表明：沿板厚方向的温度梯度和基材的屈服强度的分布，以及基材熔化区三者共同决定了弯曲变形的大小。
　　 采用连续和脉冲CO2激光器进行了GH4133合金熔覆StelliteX-40合金的工艺试验，结果表明，连续CO2激光器熔覆层没有裂纹，仅在熔化深度较大时，熔覆层经时效处理后可能在热影响区出现再热裂纹。而脉冲CO2激光器熔覆层产生了严重裂纹，裂纹形成和扩展的机理：在脉冲激光形成的交变温度场和热应力场作用下，在熔合线形成裂纹，裂纹沿着晶界分布的链状析出物向母材扩展。
　　 在K403合金上开展脉冲CO2激光器熔覆StelliteX-40合金工艺试验研究，并与连续CO2激光器的试验进行对比。结果表明，当连续CO2激光器熔覆的线能量大于320J/mm时，熔覆层出现热裂纹；而对于脉冲CO2激光器，线能量大于562J/mm熔覆层才出现热裂纹。显然，脉冲CO2激光器熔覆使K403合金的热敏感性降低，工艺参数可调范围更大，能够解决铸造高温合金激光熔覆出现热裂纹的难题。
　　 通过连续和脉冲CO2激光器熔覆铸造高温合金K403和变形高温合金GH4133的工艺试验研究发现，高温合金的特性对CO2激光器的种类非常敏感，根据高温合金的特性选择激光器是非常重要的。提出了铸造高温合金和变形高温合金激光熔覆设备的选用原则：铸造高温合金对热裂纹比较敏感，应该选择脉冲CO2激光器，其激光熔覆工艺参数可调范围大；变形高温合金对再热裂纹比较敏感，应该采用连续CO2激光器进行激光熔覆。
　　 在上述工艺研究的基础上，开展了薄壁型GH4133合金连续CO2激光熔覆StelliteX-40合金异种金属熔覆层的综合性能研究。结果表明，StelliteX-40合金熔覆层在人造海水中腐蚀速率比GH4133合金的小；经过17～800℃热循环，热疲劳裂纹在熔合线GH4133合金一侧形成，并沿着晶界向GH4133合金内部扩展；在800℃的25%wtNaCl+75%wtNa2SO4熔盐中，由于GH4133合金中形成Ni3S2·Ni低熔点共晶体，GH4133基体发生了全面均匀的热腐蚀；而StelliteX-40合金中Cr向表面聚集形成致密的氧化膜，阻止了硫在熔覆层中扩散，减缓热腐蚀进程。综合GH4133和StelliteX-40合金耦合的试验结果来看，StelliteX-40合金涂层的性能均优于GH4133合金，采用StelliteX-40合金粉末激光修复GH4133合金薄壁型构件熔覆层性能是完全可以得到保证的。