臥螺離心機螺旋葉片激光堆焊應用研究

根據臥螺離心機磨損失效的特點，提出在螺旋葉片工作面采用激光堆焊工藝，探索了合適的堆焊工藝，獲得了與基體冶金結合、組織改變均勻細化的高性能堆焊層。分析表明激光堆焊層硬度提高了2倍，耐磨性提高了5倍，耐蝕性能滿足應用要求。該技術用于臥螺離心機葉片有較高的實用價值。

關鍵詞： 臥螺離心機；葉片；激光堆焊

1 前言

傳統(tǒng)的葉片磨損改進的措施大多采用焊接不同材料的葉片襯板，噴焊硬質材料或鑲嵌alo陶瓷襯片的方法。由于噴焊常常存在結合強度低、有氣孔、組織不致密，成份不均勻、葉片變形大等問題；而陶瓷片鑲嵌又存在著襯片與基體結合牢固性差，在離心機高速旋轉時易脫落而造成事故，難以滿足臥螺離心機的工作條件。因此我們根據臥螺離心機設計及工作的特點，對耐腐蝕環(huán)境工作的不銹鋼臥螺離心機葉片激光耐蝕耐磨合金材料堆焊強化進行了研究，取得了較好的應用效果。

2 試驗

基體材料：1crl8ni9ti不銹鋼；堆焊材料：激光專用含ti合金焊料。采用預置法激光堆焊，每一次獲得一個單道堆焊層，各個堆焊道之間留有間隔，避免各工序之間的熱影響。采用7kw橫流co2激光器；實驗時激光的輸出功率分別為2．8kw 和3．0kw；輸出的激光束光斑直徑為7mm。不銹鋼的激光堆焊是一個復雜的冶金和結晶的過程，由于激光加熱和熔化冷卻速度都很高，故在加熱、冷卻或熔化凝結過程中，材料微組織間形成非均勻的溫度場和熱應力，易于造成裂晶、裂紋等缺陷。為了得到良好的堆焊層的質量（如堆焊層表面光滑、無裂紋、良好的冶金結合等），需要調整與此相關的激光工藝參數（激光的能量密度、掃描速度）使之形成良好的匹配性，并進行試樣模擬磨損實驗、耐蝕試驗，以得到良好的激光工藝參數使之具有較好的匹配性能。

采用線切割方法切割，并采用電解拋光和電解腐蝕的方法制備試樣。在表面上沿與掃描垂直的方向測量硬度沿寬度的變化和沿深度方向的變化。采用vickers硬度值（200g15s）表示硬度測量的結果。

3 試驗結果及討論

為描述工藝參數的影響，引入激光作用能量密度pw=p／（×2a）和作用時間t=2d／v。式中p為激光輸出功率； 為掃描速度；d為光束半徑。選擇不同工藝參數進行試驗研究。

3．1 顯微硬度

通過激光堆焊后能夠得到比其它方法得到更高的硬度值。圖1、2分別示出了不同激光工藝參數之間的變化規(guī)律。如圖1所示，在不銹鋼上堆焊合金后硬度明顯提高，堆焊層平均硬度hv400，堆焊層厚度0．7～lmm，堆焊層硬度呈梯度過渡。在相同的速度下，隨著激光功率的增加，堆焊層的顯微硬度也隨之增加，這是由于激光加熱和冷卻的速度極快的特點所決定的。在同一功率不同速度的顯微硬度曲線如圖2所示，當增加時，減小，堆焊層的硬度降低，單位體積所吸收的能量降低，堆焊層的厚度減小。圖2也明確驗證了這一點，這也說明本實驗條件下能量密度起主導作用[1]。
3．2 顯微組織結構分析

典型的不銹鋼堆焊覆層的結構如圖3所示，結合面較平坦，在基體與堆焊層過渡區(qū)呈現(xiàn)出柱狀和樹枝狀的晶體結構，具有代表性的顯微組織如圖4所示。堆焊結晶過程的散熱為堆焊熔池向空間的高溫輻射和通過集體材料的熱傳導兩個方面。因為堆焊熔池小，基體材料較大，基體對熔池的冷卻速度非常快。因此晶體生長相當于定向凝固，導致堆焊層結晶時柱狀晶很發(fā)達，同時在熔池表面因高溫輻射而在外部形核生長出新的晶體。堆焊層底部屬于典型的平面外延生長組織，且枝晶組織粗大；而堆焊層頂部是較規(guī)則的樹枝狀共晶組織且枝晶細小于是 形成了柱狀晶體與樹枝狀晶體交替出現(xiàn)，有利于增加堆焊層的結合強度(如圖4)。當激光工藝參數不合適的時候易出現(xiàn)氣孔、夾雜物等缺陷。