臥螺離心機(jī)螺旋葉片激光堆焊應(yīng)用研究
根據(jù)臥螺離心機(jī)磨損失效的特點(diǎn)，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(jié)合、組織改變均勻細(xì)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(yīng)用要求。該技術(shù)用于臥螺離心機(jī)葉片有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 臥螺離心機(jī)；葉片；激光堆焊
1 前言
傳統(tǒng)的葉片磨損改進(jìn)的措施大多采用焊接不同材料的葉片襯板，噴焊硬質(zhì)材料或鑲嵌alo陶瓷襯片的方法。由于噴焊常常存在結(jié)合強(qiáng)度低、有氣孔、組織不致密，成份不均勻、葉片變形大等問(wèn)題；而陶瓷片鑲嵌又存在著襯片與基體結(jié)合牢固性差，在離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)易脫落而造成事故，難以滿足臥螺離心機(jī)的工作條件。因此我們根據(jù)臥螺離心機(jī)設(shè)計(jì)及工作的特點(diǎn)，對(duì)耐腐蝕環(huán)境工作的不銹鋼臥螺離心機(jī)葉片激光耐蝕耐磨合金材料堆焊強(qiáng)化進(jìn)行了研究，取得了較好的應(yīng)用效果。
2 試驗(yàn)
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(yù)置法激光堆焊，每一次獲得一個(gè)單道堆焊層，各個(gè)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)復(fù)雜的冶金和結(jié)晶的過(guò)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(jié)過(guò)程中，材料微組織間形成非均勻的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力，易于造成裂晶、裂紋等缺陷。為了得到良好的堆焊層的質(zhì)量（如堆焊層表面光滑、無(wú)裂紋、良好的冶金結(jié)合等），需要調(diào)整與此相關(guān)的激光工藝參數(shù)（激光的能量密度、掃描速度）使之形成良好的匹配性，并進(jìn)行試樣模擬磨損實(shí)驗(yàn)、耐蝕試驗(yàn)，以得到良好的激光工藝參數(shù)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(cè)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(cè)量的結(jié)果。
3 試驗(yàn)結(jié)果及討論
為描述工藝參數(shù)的影響，引入激光作用能量密度pw=p／（×2a）和作用時(shí)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(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。
3．1 顯微硬度
通過(guò)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(shù)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(guò)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(diǎn)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(dāng)增加時(shí)，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(yàn)證了這一點(diǎn)，這也說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)條件下能量密度起主導(dǎo)作用[1]。
3．2 顯微組織結(jié)構(gòu)分析
典型的不銹鋼堆焊覆層的結(jié)構(gòu)如圖3所示，結(jié)合面較平坦，在基體與堆焊層過(guò)渡區(qū)呈現(xiàn)出柱狀和樹(shù)枝狀的晶體結(jié)構(gòu)，具有代表性的顯微組織如圖4所示。堆焊結(jié)晶過(guò)程的散熱為堆焊熔池向空間的高溫輻射和通過(guò)集體材料的熱傳導(dǎo)兩個(gè)方面。因?yàn)槎押溉鄢匦?，基體材料較大，基體對(duì)熔池的冷卻速度非?？臁Ｒ虼司w生長(zhǎng)相當(dāng)于定向凝固，導(dǎo)致堆焊層結(jié)晶時(shí)柱狀晶很發(fā)達(dá)，同時(shí)在熔池表面因高溫輻射而在外部形核生長(zhǎng)出新的晶體。堆焊層底部屬于典型的平面外延生長(zhǎng)組織，且枝晶組織粗大；而堆焊層頂部是較規(guī)則的樹(shù)枝狀共晶組織且枝晶細(xì)小于是 形成了柱狀晶體與樹(shù)枝狀晶體交替出現(xiàn)，有利于增加堆焊層的結(jié)合強(qiáng)度(如圖4)。當(dāng)激光工藝參數(shù)不合適的時(shí)候易出現(xiàn)氣孔、夾雜物等缺陷。
