激光熔覆修复轴颈过程中气孔与裂纹研究

杨文甫，李晓燕

（1.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024；2.大唐太原第二热电厂，山西 太原 030041）

0 引 言

热电厂汽轮机、发电机、泵与风机等重要转动设备常因转子和轴承润滑不良,或油系统中存在的颗粒进入轴承出现磨粒磨损,导致轴颈表面磨损失效,对电厂的安全运行和经济效益造成很大影响[1]。对损伤零件进行修复不仅能够挽回巨大的经济和时间损失,还可以提高资源的利用率，符合国民经济可持续发展要求[2]。轴颈磨损的修复传统上采用车削、热喷涂、电刷镀、脉冲闪焊、微弧焊等方法，但普遍存在修复后轴径减小必须配非标轴瓦,或者涂层结合强度低、应力大、容易脱落、大面积磨损修复难度大等问题[3]。而激光熔覆技术对零件表面修复效果明显优于上述传统工艺,已在国内外得到初步实际应用[4]。激光熔覆过程的实质是高能激光束和金属粉末以及基材相互作用时,粉末和基材快速熔化、快速冷却的过程。因为这一过程时间很短,远离相变平衡态,过热度和过冷度远大于常规热处理,可以使材料在激光辐照区中形成晶粒高度细化的组织结构、较小的变形以及热影响区很小。由于熔覆成形的金属制件可得到用常规加工方法很难获得极高的表面硬度和耐磨性,因此在工业上有广泛的应用前景[5-7]。虽然激光熔覆技术制备镍基涂层取得了一定进展,已成为近年来的研究热点和研究前沿，但对于熔覆材料的选择以及裂纹和气孔的控制仍有待于进行深入细致的研究[8]。

激光熔覆修复转子轴颈磨损多采用Ni基合金添加WC、TiC等难熔金属碳化物硬质相来增强表面硬度，改善熔覆层耐磨性，但熔覆层常出现气孔、裂纹、未熔合等缺陷。气孔会降低熔覆层力学性能,产生应力集中,还可能促成裂纹；而熔覆层裂纹对使用性能危害最大,从而影响熔覆层的综合性能。

采用激光熔覆技术,对发电厂转动设备转子轴颈磨损进行了修复试验研究,对熔覆层气孔和裂纹的形成机理和类型进行了分析总结,并提出了减少和控制气孔、裂纹的措施,从而有效改善激光熔覆层组织,提高了轴颈修复质量。

1 试验条件与方法

激光熔覆修复试验对象为热电厂转动设备转子轴颈,其材料为35CrMo、35CrMoV、40CrNi等合金结构钢。轴颈直径 85~ 180 mm,磨损沟槽深度0.2~1.5 mm；宽度0.2~2 mm。熔覆材料为Ni74CrSiB、Ni65合金粉末、Ni60合金粉末，以及添加的WC、TiC等硬质相粉末。采用DL-HL-T5000型、5 kW、横流CO2激光器,同步自动送粉多道搭接熔覆,高纯度氩气保护。激光熔覆功率为1.5~4 kW,扫描速度为180~450 mm/min，光斑直径为3~5 mm。激光熔覆前砂纸打磨,丙酮清污，空气中置干后预涂黑体涂料,以增强熔覆过程中轴颈基体对激光的吸收率。

2 试验结果与分析

2.1 气孔类型和产生机理

激光熔覆轴颈修复过程中,虽然采用高纯度氩气施加同步保护防止氧化,但气孔现象依然存在。

气体主要来源是C与O反应生成CO和CO2。其中C的来源是熔覆材料Ni基合金中添加的WC、TiC等难熔金属碳化物硬质相，在激光高温作用下热稳定性差,部分发生分解,形成游离C;而O的来源可能是熔覆材料粉末受潮成为氧的来源，也可能是氩气保护的熔池发生剧烈的物理化学变化,熔池周围气流剧烈扰动,很难保证保护气体始终笼罩熔池周围,而一旦少量空气卷入并接触熔池,O就进入熔池。这样，游离的C就会与O结合生成CO和CO2，在快速凝固前来不及逸出而形成气孔。

气体的其他来源,Liu等[9]认为孔洞是保护气在熔池中的过饱和,材料的不充足而导致收缩以及基材本身的气孔等原因造成。这种观点理论值得实践借鉴。

如图1所示,轴颈熔覆层中的气孔从形貌上分,可分为不规则形、圆球形、微小密集形三大类。所有这三类气孔都会在不同程度上导致熔覆层结构疏松,从而降低其强度,甚至引发熔覆层脱落；同时气孔也是引起应力集中的重要因素,成为导致熔覆层开裂现象之诱因。图1（a）为不规则形气孔,已经汇聚形成了大型空穴。其气孔气体来源有保护气在熔池中的过饱和的因素;也有可能是保护气体流速过大,剧烈紊流卷入熔池后在冷凝前来不及逸出而形成。图1（b）属于典型的圆球形气孔,破坏力相对较小,一般为WC高温分解形成游离C与氧结合而形成。图1（c）为微小密集形气孔,是游离碳、WC高温分解C、或基材中含有的C,与氧结合形成的碳氧化物气体,由于激光参数选择不合理等原因引起熔体流动性差,导致碳氧化物微小气团逸出速度小,而凝固速度又比较快,气体来不及向上逸出,就形成这种类型的气孔。

图1 熔覆层中三种典型气孔(10 0×)

2.2 气孔的减少和控制措施

通过抑制WC的分解,可以减少熔池内C含量,烘干熔覆合金粉末,减少氧化,从而减小熔覆层内形成CO和CO2气孔。李强等人[10]通过加入适当比例的In2O3后能够抑制WC的分解,从而减少熔池内C的含量,减小了熔池内形成CO和CO2的可能性,实践中完全可以借鉴用来减少WC高温分解。

在轴颈修复中,通过调整激光工艺参数可以促进和改善熔体的流动性,有利于游离的C与氧气结合生成CO和CO2逸出;尤其要调节控制惰性保护气的气流参数,对熔池实现良好保护同时,尽量减少卷入熔池现象,可以在一定程度上减少熔覆层中气孔的产生。本文实践尝试采用外加一定频率和振幅的机械震动作用于熔覆轴颈基体处,对熔池中液态金属进行激荡,可以促进溶体中气泡的逸出,对减少熔覆层气孔有很好的作用。

另外，在实践中保持最佳工艺参数范围内,可以适当减小激光扫描速度,加大功率密度,以增强线能量。这样，一方面可略微延长熔池寿命,减慢冷凝速度,从而使熔池中气体有足够时间逸出而减少气孔现象；另外一方面又避免了热输入量太大造成元素烧损、晶粒变大等现象。

2.3 裂纹的类型和产生机理

裂纹的形成因素很多,但都可以归结为应力的作用。应力包括热应力和相变应力。激光熔覆过程升温很快、温度高,高能激光束流热量的输入导致熔覆层与基体之间产生很大温度梯度；激光束移离熔池后,熔覆层即快速冷凝,冷凝时温度梯度导致激光熔凝层内产生拉应力,当拉应力大于该温度下材料强度极限时,熔覆层出现裂纹。

转动设备轴颈熔覆具有其独特的热力学特点,一方面熔层的大部分热量是由基体传走的,转动设备的轴颈体积都比较大,热容量也大,熔覆层向基体传递的热量多,熔覆层冷却速度比薄件更快,出现裂纹的可能性更大；但另一方面转子轴颈外形为圆柱状,对称性好,熔覆时的热应力分布均匀,一定程度上有助于减小开裂几率。

裂纹产生的部位总结为枝晶界、气孔和夹杂物等薄弱环节处[11]。轴颈熔覆层中裂纹从尺寸大小上可分为宏观裂纹和微观裂纹两种。在激光熔覆过程中常伴随有清脆细微的断裂声,这是出现微小裂纹时金属断裂发出的声音。按照产生部位区分,轴颈熔覆裂纹大致可以分为覆层内裂纹、搭接处裂纹、界面裂纹三种。

图2 轴颈熔覆层裂纹(10 0×)

如图2所示，（a）为覆层内裂纹,这种裂纹是激光熔覆后冷凝时温度梯度导致熔凝层内产生拉应力而形成的。（b）为搭接处裂纹,是在前后两道覆层之间搭接区形成的裂纹,搭接区裂纹多由气孔引起,在应力作用下延伸开裂形成宏观裂纹。另外快速冷凝时熔层中有些氧化物、硫化物或者杂质来不及上升逸出,也是引起搭接处裂纹的源头。（c）为界面裂纹延伸扩展导致整个熔覆层的开裂,裂纹源头为基体微小裂纹,这种微小裂纹是由基体与熔覆材料热膨胀系数不同或者熔化冷凝时固态相变引起的。随着冷凝过程中拉应力作用,有些微小裂纹最终扩展延伸发展成贯穿整个熔覆层的宏观裂纹。

2.4 裂纹的减少和控制措施

只有减少拉应力,才能避免熔覆层开裂。气孔和夹杂处应力易集中,减少和控制气孔数量;减少杂质等可以明显减少裂纹出现。另外优化工艺参数,控制好能量密度和作用时间,可以减少裂纹出现。前述延长熔池寿命,减慢冷凝速度,使熔池中气体及时逸出减少气孔对减小开裂也有帮助。

激光熔覆后的二次扫描重熔技术在理论上可以均匀组织成分,有利于氧化物、硫化物和杂质的上浮逸出,减少裂纹出现的几率,但实践中发现,这样做效果往往不理想,在搭接处会出现更多的裂纹,尤其是贯穿熔覆层的大裂纹,采用二次扫描重熔毫无作用。

采取措施降低冷凝时温度梯度,可以在一定程度上减少裂纹的产生。本文对轴颈基体进行氧乙炔火焰预热和熔覆后硅酸盐纤维层保温缓冷处理,氧乙炔火焰预热可以降低温度梯度,硅酸盐纤维层保温缓冷处理可以减小熔覆层内部分残余应力。但是，保温温度不宜过高,时间不宜太长，否则会导致覆层晶粒组织粗大、硬度值降低。

3 结 论

气孔的减少和控制，可以通过减少气体的来源，如烘干熔覆合金粉末、减少氧化、改善熔体的流动性、略微延长熔池寿命来实现。通过熔覆材料中添加In2O3抑制WC的分解;促进和改善熔体的流动性;调节工艺参数略微延长熔池寿命,减慢冷凝速度有利于气体逸出,都可以在一定程度上减少和控制气孔出现。外加机械振动激荡熔池液态金属可以促进气泡逸出,大大减少熔覆层气孔。

裂纹的减少和控制，可以通过优化工艺、减少和控制气孔数量、减少杂质等措施来实现。熔覆浅表层裂纹可以采用重熔处理。预热缓冷、降低温度梯度、减少残余应力可在一定程度上控制和减少裂纹。

气孔和裂纹很难完全避免,但采取措施可以减少和控制。后续将进一步试验研究外加机械震动以排除熔体气体;研究完善预热缓冷方法以减少裂纹,最大程度减少和控制熔覆层气孔和裂纹现象,实现电力转动设备轴颈的高质量修复。

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