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激光堆焊技术在蒸汽发生器叶片上的应用

2021-04-08 04:18:48

在工农业生产中,关键零部件的性能对设备的长期稳定运行起着重要的作用。磨损和腐蚀是关键机械零件的两种主要失效模式,造成巨大的损失。根据美国国家材料政策委员会的一份研究报告,美国每年要花费近1000亿美元来弥补摩擦磨损造成的零部件损耗。其中,物资损失200亿美元。在欧洲的英国,每年因摩擦磨损造成的损失超过5亿英镑;上世纪80年代,大发官网国家调查发现,当时我国因腐蚀造成的损失在400亿元以上。20世纪90年代,中国全面调查了摩擦和磨损在经济和工业生产中造成的损失,分析表明,次损失占国民生产总值的1.8%。众所周知,摩擦、磨损、腐蚀都是零件表面材料损耗的过程,材料的其他失效机理也是从表面开始的。采用表面保护措施来延缓和控制表面损伤已成为解决上述问题的有效方法。在解决这些问题的同时,也促进了表面工程科学和表面技术的形成和发展。

  SUS403不锈钢在高温下为奥氏体组织,淬火后为马氏体组织。它主要用于制造工具、发电机叶片、轴承和其他在恶劣环境中工作的部件。蒸汽发生器叶片由于尺寸较薄,又受到高温蒸汽的冲刷,长期在高温下工作的叶片前缘容易失效(磨损和气蚀)。为了提高叶片失效部分的性能,通常采用银基钎焊或TIG焊将斯太尔6#合金板条焊接到叶片前缘。另外,也有研究尝试用等离子堆焊的方法将Starry  6#合金粉焊接到叶片前缘。但由于钎焊接头强度低,TIG电弧和等离子电弧热源分散,堆焊后叶片焊接变形大,焊缝成形难以控制,生产效率低,难以满足叶片的使用性能要求。

  激光堆焊工艺的优点是可以形成复合功能结构的堆焊层,稀释率低,焊接变形小,通过快速加热和冷却容易获得高质量的耐磨堆焊层。此外,通过优化激光加工参数(如散焦量、焊接速度和送粉量等。),可以灵活控制堆焊层的稀释率,满足使用性能的要求。因此,近年来,在制造业领域,激光堆焊技术发展迅速。日本的汽车工业将激光堆焊技术应用于汽车发动机的进排气阀和阀座的制造,日本的核电工业将激光堆焊技术应用于成套设备的阀门零件的生产。由于激光束能量密度高,热量容易控制,特别适用于零件和薄板的精密堆焊。

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  1.1测试材料

  实验叶片由SUS403不锈钢制成,化学成分为w(C)=0.15%。w(Si)=0.5%;w(Mn)=1.0%;w(=)0.030%;w(P)=0.040%;w(Ni)=0.60%;w(Cr)=13%;和余量的铁。堆焊合金粉(58号微米~ 212号微米)用作钴基合金Stellite-6,其化学成分为w(C)=1.1%。w(Cr)=28.3%;w(Si)=1.3%;W(W)=4.3%;w(Ni)=1.6%;w(Fe)=2.0%;其余为一氧化碳.

  1.2测试设备

『大发官网』集团股份有限公司 制造)用作粉末进料器。使用Ar作为送粉气体,将Stellite-6粉末输送到堆焊区域。送粉速度的调节是通过改变送粉盘的转速来实现的。圆盘旋转得越快,输送的粉末就越多[9]。本文采用侧向送粉方式,送粉喷嘴直径为2.0毫米,叶片用专用夹具夹紧在旋转机构上。堆焊时,通过堆焊头和旋转机构的共同运动来完成叶片的堆焊。

  在激光堆焊过程中,有必要对刀片进行适当的预热和保温。激光输出功率为2.4 kW,堆焊速度为1 m/min,散焦量为10 mm,送粉量为16.6 g/min,保护气体(Ar)流量为30 L/min,送粉气体流量为4 L/min,堆焊层搭接率为50%。此外,叶片应在堆焊后立即进行适当的热处理。叶片上有两层堆焊层,第1层堆焊层的尺寸约为122 mm13 mm1 mm,第二层堆焊层的尺寸约为112 mm12 mm1 mm

  2实验结果

  通过对蒸汽发生器叶片激光堆焊层各项性能指标的分析,可以得出以下结论:

  1)在激光堆焊的第1层和第二层交界处,可以依次观察到胞晶生长、枝晶生长和等轴晶生长;由于二次加热的影响,在热影响区可以观察到熔合区、粗晶区、混晶区和细晶区。

  2)堆焊层显微组织为亚共晶组织,其初晶相由富钴奥氏体组成;共晶组织由富钴奥氏体和复合碳化物(Cr23C6、Co3W3C、CoCx和WC等)组成。).3)激光堆焊后,蒸汽发生器叶片的平均硬度提高了两倍。一方面,堆焊层中存在碳化物硬质相;另一方面,激光堆焊的快速加热和冷却速度使堆焊层的显微组织细化,产生细晶强化。

  4)堆焊层含有大量复杂的碳化物硬质相,不仅提高了叶片的硬度,而且使堆焊后叶片的耐磨性比母材提高了7倍。

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