激光熔覆修復(fù)技術(shù)在高溫壓鑄模具中的應(yīng)用

激光熔覆修復(fù)技術(shù)在高溫壓鑄模具中的應(yīng)用

激光熔蓋也稱為激光覆蓋或激光焊接，是材料表面改造技術(shù)的重要方法。它是用高光束在金屬表面上覆蓋的材料，并在材料表面上形成具有特殊物理、化學(xué)或機(jī)械功能的新材料。以彌補(bǔ)材料層的不足高性能。高溫鍛壓模具長期在高溫、高頻鍛打等苛刻的條件下工作,模具表面極易失效,導(dǎo)致生產(chǎn)的葉片達(dá)不到要求。本文分析了采用專用粉末,通過激光熔覆修復(fù)技術(shù)在高溫鍛壓模具鋼基材上制備具有特殊性能的復(fù)合涂層,以改善其使用性質(zhì),為修復(fù)航空發(fā)動機(jī)葉片高溫鍛壓模具提供借鑒。1激光表面改性自1960年美國梅曼制成世界上第一臺紅寶石激光器以來,激光技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn),在激光理論、激光技術(shù)、激光應(yīng)用等各個方面,都取得了巨大的進(jìn)展。激光具有其他普通光源所無法比擬的高單色性、高方向性、高相干性和高強(qiáng)度,它不僅強(qiáng)有力地促進(jìn)了物理學(xué)、化學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的巨大發(fā)展,而且成功地在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用。在表面工程方面,突出地表現(xiàn)在通過激光表面改性以提高材料的抗氧化、耐腐蝕和耐磨損等性能。已經(jīng)發(fā)展起來的激光表面處理技術(shù)有激光相變硬化、激光熔凝硬化、激光表面合金化、激光表面熔覆、激光非晶化和激光沖擊硬化等表面改性技術(shù)。利用激光表面熔覆技術(shù)的優(yōu)勢在于節(jié)約具有戰(zhàn)略價值且昂貴的合金元素,可獲得不受常規(guī)條件下的溶解度和平衡相圖所確定的相規(guī)律限制的新合金、非晶態(tài)和準(zhǔn)晶表面涂層。這種合金涂層具有高的耐磨性、耐蝕性和良好的電磁和熱性能。自1974年Gnanamuthu申請了激光熔覆一層金屬于金屬基體的熔覆方法專利以來,激光熔覆技術(shù)成為材料表面工程領(lǐng)域的前沿和熱門課題,并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。我國自“六五”開始,激光熔覆被列為國家重點技術(shù)攻關(guān)項目以來,在理論基礎(chǔ)和實際應(yīng)用方面都取得了很大的發(fā)展。與傳統(tǒng)的噴涂工藝相比,激光表面熔覆技術(shù)具有以下幾方面的優(yōu)點:(1)熔覆材料能夠?qū)崿F(xiàn)涂層成分設(shè)計高達(dá)106℃/s的冷卻速度使熔覆層具有快凝的顯微組織特征,晶粒顯著細(xì)化,元素偏析程度可以設(shè)計,固溶度增加,形成非晶相,可以得到常溫下無法獲得的微觀組織與結(jié)構(gòu),使熔覆層具有優(yōu)異的使用功能。(2)熔覆層與基體實現(xiàn)良好的化學(xué)冶金結(jié)合熔覆層稀釋率低,涂層致密,節(jié)約昂貴的金屬材料。(3)輸入基體的能量及基體的熱變形較小,熔覆成品率高,后續(xù)加工余量小。(4)可以對局部或關(guān)鍵部位進(jìn)行修復(fù),可以實現(xiàn)精確控制,在線控制和遠(yuǎn)距離操作。2熱端部件激光熔覆技術(shù)國外航空發(fā)動機(jī)制件激光熔覆強(qiáng)化與修復(fù)研究進(jìn)展較快,激光熔覆在航空發(fā)動機(jī)熱端部件制造上的應(yīng)用首推英國的RollsRoyce公司,該公司于1981年采用激光熔覆工藝對RB211發(fā)動機(jī)渦輪葉片冠部阻尼面進(jìn)行鈷基耐磨合金覆層強(qiáng)化處理。隨后PrattyWhitney公司進(jìn)一步發(fā)展了激光熔覆技術(shù),成功地對PWJT8和PWJT9兩種發(fā)動機(jī)的第一級和第二級的轉(zhuǎn)子葉片冠齒端阻尼面進(jìn)行激光熔覆鈷基合金強(qiáng)化。激光熔覆在航空發(fā)動機(jī)熱端部件修復(fù)上的應(yīng)用首推美國的GE公司,該公司在1990年采用5kWCO2激光加工熱堆焊層接長修復(fù)了高壓渦輪葉片的葉尖,并聲稱此技術(shù)為該公司十大新技術(shù)之一。后來美國的LiburdiEngineeringLimited也在JT8D發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的葉尖和葉冠修復(fù)上,研究發(fā)展了一套高自動化的激光熔覆系統(tǒng)。德國馬達(dá)和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合公司維修公司和漢諾威激光研究中心,發(fā)展了激光堆焊技術(shù)用于渦輪葉片冠部阻力面的熔覆層強(qiáng)化或恢復(fù)幾何尺寸。俄羅斯航空發(fā)動機(jī)工藝研究所對燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)鈦合金和鎳基合金零件的修復(fù)進(jìn)行了大量研究:用激光重熔熱噴涂層的方法已修復(fù)了一批燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的鈦合金壓氣機(jī)工作葉片;該院還研究了鎳基合金制造的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)一級工作葉片的端面修復(fù)問題。國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)制件激光熔覆強(qiáng)化與修復(fù)研究起步較晚,國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件激光修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用起始于1990年中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護(hù)研究所,王茂才等將激光修復(fù)應(yīng)用于葉片葉尖的激光仿形熔鑄接長修復(fù),葉片冠部阻尼面的激光熔覆層強(qiáng)化與修復(fù);整體構(gòu)件的激光熔焊修復(fù)等。黃慶南等對某機(jī)渦輪葉冠工作面的磨蝕失效按使用條件進(jìn)行激光熔覆修復(fù)試驗、結(jié)合力試驗、耐磨試驗、氧化和腐蝕試驗,并進(jìn)行硬度測試和金相分析。通過對熔覆層的試車考核,證明其效果良好。胡乾午等用鈷基合金粉末對渦輪發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行激光強(qiáng)化,從避免強(qiáng)化層和基體開裂的角度出發(fā),研究了變質(zhì)劑對強(qiáng)化層組織和化學(xué)成分的影響,高溫涂鹽腐蝕表明,經(jīng)鈷基合金強(qiáng)化的表面層,其耐蝕性顯著提高。Zhong等研究了定向凝固鎳基高溫合金基體上激光熔覆Inconel738的裂紋敏感性,指出選擇適當(dāng)?shù)娜鄹补に嚪椒ê蛥?shù)可以在定向凝固鎳基高溫合金基體上形成良好冶金結(jié)合且無裂紋的基本保持定向凝固的熔覆層。葉和清等采用雙光束激光修復(fù)發(fā)動機(jī)葉片K417的表面裂紋,并研究了修復(fù)區(qū)域的組織與相結(jié)構(gòu)。徐志剛等在K17材料葉冠端激光熔覆鈷基粉末,結(jié)果表明,激光熔覆鈷基粉末對K17材料的葉冠端有改性作用,降低了K17材料的熱裂紋敏感性,涂層與基材形成良好的冶金結(jié)合。國內(nèi)外對航空發(fā)動機(jī)渦輪制件的激光表面熔覆強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)的研究主要集中在對渦輪葉片葉冠端面的強(qiáng)化與修復(fù)、渦輪葉片表面裂紋的強(qiáng)化與修復(fù)、定向凝固鎳基高溫合金葉片的強(qiáng)化與修復(fù),而對于航空發(fā)動機(jī)葉片高溫鍛壓模具失效部位的強(qiáng)化與修復(fù)目前尚無公開的報道。3激光焊接修復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀3.1光熔池的產(chǎn)生和作用激光表面熔覆是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)和冶金過程,熔覆過程中的一切物理化學(xué)反應(yīng)、固液相變及固態(tài)相變、裂紋的萌生與發(fā)展等都與激光加工過程有關(guān)。當(dāng)激光照射到材料表面時,該區(qū)域?qū)⒂晒虘B(tài)變?yōu)橐簯B(tài),甚至迅速汽化成汽態(tài),通常將此液體區(qū)域稱為激光熔池。在激光表面熔覆過程中,熔池的形成取決于激光的強(qiáng)度和輻照時間。激光熔池的產(chǎn)生在激光材料表面處理過程中有兩個重要的作用:一是材料表面吸收的激光能量在熔池內(nèi)通過對流和傳導(dǎo)兩種方式傳入工件內(nèi)部,如果熔池中流體快速運(yùn)動,熱量主要以對流形式從表面?zhèn)髦凉滔鄥^(qū),流體運(yùn)動使液相區(qū)的溫度趨于均勻,在激光熔覆過程中,粉末物質(zhì)的擴(kuò)散和混合主要由流體運(yùn)動來完成;另一方面液態(tài)金屬表面對激光的吸收率較固態(tài)金屬對激光的吸收率大,這對提高激光熱能的利用率十分有利。另外激光熔覆過程為一動態(tài)熔凝過程,激光照射到材料表面,激光下方區(qū)域的材料被熔化成熔池。隨著工件的移動,到達(dá)激光輻照區(qū)的材料表面不斷被熔化而形成熔池;與此同時離開激光源的液體由于傳熱、溫度降低而重新凝固成固體;即熔池前端發(fā)生固→液相變,后端發(fā)生液→固相變。激光熔覆過程是一個同時伴有熔化和凝固的過程,通常又稱為運(yùn)動邊界的傳熱問題。對有固液相變的激光表面熔覆過程,激光熔覆過程的傳熱對激光熔覆所獲得涂層質(zhì)量起決定作用。因此工藝參數(shù)的探索及優(yōu)化最佳工藝,針對基體材料和性能要求制定熔覆工藝規(guī)范對于激光表面修復(fù)與改性技術(shù)至關(guān)重要。3.2熔覆工藝的發(fā)展趨勢激光表面熔覆工藝過程的研究近幾年來備受關(guān)注,通常采用窄帶逐行掃描,修復(fù)面由熔池區(qū)域和搭接區(qū)域組成,熔覆層由基體區(qū)域、結(jié)合區(qū)域和熔覆層區(qū)域組成。由于熱因素各不同,就會產(chǎn)生不同的熱力學(xué)效應(yīng),激光熔覆工藝直接影響著裂紋的產(chǎn)生、材料的硬度和塑性等一系列性能,進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。近幾年來,熔覆工藝有以下發(fā)展趨勢:(1)以寬帶熔覆技術(shù)替代窄帶熔覆技術(shù),大大減少了搭接區(qū)域;在熔覆過程中搭接區(qū)域可能由于能量密度過低,熔化不充分,在結(jié)晶時排出大量的熔渣,相應(yīng)會有未熔顆粒和夾渣、氣孔及疏松出現(xiàn),與基體材料不能形成良好結(jié)合,有薄弱區(qū)域,在服役過程中,極易在此處形成微裂紋、裂紋擴(kuò)展。而寬帶熔覆技術(shù)大大減少了搭接區(qū)域,降低了裂紋源。(2)對于失效尺寸較大的零件進(jìn)行寬帶多層熔覆修復(fù),每一層工藝進(jìn)行合理設(shè)計,降低層與層之間的相互熱影響。(3)梯度設(shè)計熔覆,實現(xiàn)熔覆層性能的梯度變化:熔覆層分作若干層完成,粉末元素含量逐層變化,熔覆后性能也相應(yīng)逐漸變化,最大程度地避免了由于材料的線脹系數(shù)不同而形成顯微裂紋。4激光熔覆技術(shù)近30年來,雖然激光熔覆工作取得了喜人的成果,但鐵基激光熔覆粉末體系的設(shè)計仍舊發(fā)展緩慢。激光表面熔覆技術(shù)是通過熔覆合金粉末的設(shè)計,使基體獲得較高的使用性能,如耐磨、耐腐蝕和較低的開裂敏感性。熔覆層的組織狀態(tài)和相組成取決于化學(xué)成分和工藝參數(shù)。目前激光熔覆使用的合金粉末大多是熱噴涂和熱噴焊所使用的自熔性合金粉末,從修復(fù)成本、經(jīng)濟(jì)效益方面講,存在著很多問題。有關(guān)鐵基自熔合金粉末的理論和試驗性質(zhì)的研究很多,一些學(xué)者已提出了針對激光熔覆的特點而設(shè)計的鐵基合金粉末。NA-GARATHNAM等設(shè)計了Fe-Cr-W-C合金粉末,覆層組織為細(xì)小的初生奧氏體枝晶和枝晶間奧氏體與M7C3碳化物共晶,顯微硬度高達(dá)820HV0.2。譚文等用鐵粉、石墨粉、硅粉、硼粉、稀土氧化物和CaF2制成了熔覆粉末,研究了熔覆層組織、潤濕性和裂紋的變化規(guī)律。陳俐等對鐵基模具鋼設(shè)計了熔覆粉末,研究了硼和硅含量的作用機(jī)理。宋武林在現(xiàn)有的熱噴涂用鐵基自熔合金粉末基礎(chǔ)上分別添加不同含量的Ni、Mo、Co和Nb,研究了合金元素對激光熔覆層開裂敏感性和表面硬度的影響。賈俊紅等的研究表明:在Fe-C-Si-B熔覆粉末中添加一定比例的Ti粉能有效減少熔覆層的裂紋。趙海云采用自行設(shè)計的Fe-Cr-C-W-Ni合金粉末,獲得了表面成形良好,無氣孔和裂紋的熔覆層,覆層洛氏硬度高達(dá)60HRC。武曉雷等制備了與45鋼基材結(jié)合良好的大厚度鐵基非晶合金層,并分析了非晶形成機(jī)制。ZHANGQM等采用預(yù)置激光熔覆技術(shù),在中碳鋼基體表面上熔覆合金粉末(2.4%Zr+1.2%Ti+15%WC)/FeCSiB,制備出原位析出的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。但這項技術(shù)并未在實際工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,原因在于激光熔覆層容易開裂,硬度高時尤為如此?，F(xiàn)將已有的激光熔覆鐵基粉末存在的問題總結(jié)如下:(1)硬度問題硬度高的熔覆層未必滿足高耐磨的使用要求。(2)成本問題宋武林得到的最優(yōu)鐵基合金粉末中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%,鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%,趙海云等熔覆用的粉末中,Ni、Mo和W等合金元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高達(dá)40%,賈俊紅熔覆用的粉末中也添加了相當(dāng)比例的Ni、Mo、Co和Ti,Co和Ni等貴重合金元素在粉末中的比例過大顯著增加了成本。(3)裂紋問題對于防止激光熔覆層開裂的問題國內(nèi)外許多學(xué)者曾經(jīng)進(jìn)行了深入細(xì)致地研究提出了解決的方法,即預(yù)熱及后熱。雖然有利于抑制熔覆層裂紋的產(chǎn)生,但是并不能從根本上解決開裂問題,而且有一些不利影響:(a)可使覆層組織粗化,從而使耐磨和耐腐蝕性能下降;(b)因為需要加熱和保溫設(shè)備,增大了生產(chǎn)成本,這對于大型零部件的激光熔覆而言尤為明顯;(c)增加了工序,降低了生產(chǎn)效率,惡化了勞動條件;(d)對于大型零部件而言,長時間的預(yù)熱容易導(dǎo)致表面氧化,降低熔覆性能;(e)當(dāng)基材具有較低的熱膨脹系數(shù),熔覆層進(jìn)行退火處理后冷卻到室溫時,會產(chǎn)生比原來更大的拉應(yīng)力,更容易導(dǎo)致開裂等。(4)實際應(yīng)用問題盡管有少數(shù)研究者獲得了高硬度(≥60HRC)和無裂紋的熔覆層,但他們的研究基本上是在實驗室條件下進(jìn)行的,這與實際的生產(chǎn)和工作條件有一定差別:(a)在生產(chǎn)過程中,由于體積不同導(dǎo)致的熱容相差懸殊,大中型零部件表面的激光熔池冷卻速度遠(yuǎn)大于實驗室條件下小試樣表面的激光熔池冷卻速度,因而會在激光光斑周圍形成更高的溫度梯度,而且大中型零部件的制造與修復(fù)需要熔覆處理的面積較大或是形狀復(fù)雜,造成應(yīng)力疊加難以釋放,導(dǎo)致熔覆層有更大的殘余應(yīng)力和裂紋傾向,同時由于體積問題,大中型零部件難以預(yù)熱和后熱,這也加劇了熔覆層開裂傾向;(b)大中型零部件在使用過程中,遭受到可能的拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、疲勞等各種應(yīng)力的復(fù)合作用,這種復(fù)雜的疊加應(yīng)力在實驗室條件下是難以模擬的。以上兩點決定了實際生產(chǎn)和使用條件下的大中型零部件熔覆層除了和實驗室條件下的小試樣熔覆層一樣具有高的強(qiáng)度和硬度外,還應(yīng)具有比后者更為優(yōu)良的塑韌性以防在熔覆生產(chǎn)過程和零部件使用過程中熔覆層的開裂。(5)開發(fā)的鐵基粉末是基于熱噴涂粉末研發(fā)而來,或者大多熔覆直接采用熱噴涂粉末,但激光熔覆與熱噴涂用合金粉末性能的不同,極易引起開裂,為了徹底解決激光熔覆層的裂紋問題,必須針對激光熔覆過程的物理冶金特點,深刻理解激光熔覆用的合金粉末應(yīng)具有的性能。熱噴涂與激光熔覆有著許多相近似的物理和化學(xué)過程,它們對所用合金粉末的性能要求也有很多相近之處,如:合金粉末具有脫氧、還原、造渣、除氣、濕潤金屬表面、良好的流動性、適中的粒度、含氧量要低等性能。但是還有一些不同之處,如:(a)熱噴涂時為了便于用氧乙炔焰熔化,也為了噴熔時基材表面無熔化變形,合金粉末應(yīng)具有熔點較低的特性,然而根據(jù)金屬材料的物理性能,絕大多數(shù)熔點較低的合金具有較高的熱膨脹系數(shù),根據(jù)熔覆層裂紋形成機(jī)理,這些合金也具有較大的開裂傾向;(b)熱噴涂時為了保證合金在熔融時有適度的流動性,使熔化的合金能在基材表面均勻攤開形成光滑表面,合金從熔化開始到熔化終了應(yīng)有較大的溫度范圍,但在激光熔覆時,由于冷卻速度快,枝晶偏析是不可避免的,熔覆合金熔化溫度區(qū)間越大,熔覆層內(nèi)枝晶偏析越嚴(yán)重,熔覆層的開裂敏感性也越大;(c)與熱噴涂相比,激光熔池壽命較短,一些低熔點化合物如硼硅酸鹽往往來不及浮到熔池表面而殘留在涂層內(nèi),在冷卻過程中形成液態(tài)薄膜,加劇涂層開裂。綜上所述,雖然激光熔覆合金鐵基粉末自成體系,但是目前研究和使用較多的還是熱噴涂合金粉末,針對材料