（材料加工工程专业论文）镍基高温合金k403激光熔覆的应用研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 为了对现服役的飞机发动机涡轮叶片材料k 4 0 3 高温合金的表面失效进行性能修复， 从而提高它的表面耐磨性，耐氧化腐蚀性及高温拉伸性能，延长使用寿命，提高经济效益。 本文通过激光熔覆技术利用高能密度激光束所产生的快速熔凝，在基材表面形成与基材相 互熔合的且与基材具有完全不同成分与性能的合金层，可使合金层与基体达到冶金结合， 显著改善基层表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化，从而达到表面改性或修复的目的，既满 足了对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重、稀有金属材料。 本文阐述了4 种不同粉末配比和2 4 组不同激光熔覆参数以及热处理和熔覆次数对熔 覆层组织、性能的影响，采用金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计和电子探针对熔覆层显 微形貌和微观组织以及化学成分、显微硬度进行观察，通过试验，优化工艺参数，获得厚 度优良、无裂纹、无孔洞等缺陷且与基材呈冶金结合的涂层，论证了最适于激光熔覆的熔 覆粉末和熔覆工艺参数，并采用高温拉伸和高温氧化对熔覆试样的力学性能进行检测。 最终得出了最佳熔覆工艺粉末配比为w k d 1 即m d - w k d g - 5 + y 。0 。和w k d - 2 即m d - w k d g 一4 1 + v 2 0 。两种，熔覆之前需对基体材料进行热处理并采用三道熔覆，且最佳熔覆参数 为电流i o o a 、脉宽1 0 0 m s 、频率1 2 h z 。熔覆层硬度可达h v 叭= 5 8 0 ，基体材料原有的性能 基本上得到了修复，且它的抗高温腐蚀和拉伸性能都得到了显著提高，适于飞机涡轮叶片 的高温高压及腐蚀性强的工作环境。 关键词：镍基高温合金：激光熔覆；高温氧化；高温拉伸 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt or e s t o r et h ep e r f o r m a n c eo fs u r f a c ef a i l u r eb e h a v i o ro fk 4 0 3s u p e r a l l o yw h i c h u s e da st u r b i n eb l a d ei na i r c r a f te n g i n e ，s oa st oi m p r o v ei t ss u r f a c ew e a rr e s i s t a n c e ，r e s i s t a n c et o o x i d a t i o nc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dh i 曲t e m p e r a t u r et e n s i l ep r o p e r t i e s ，p r o l o n gs e r v i c el i f et o i m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i t 1 1 1 i sp a p e rt h r o u g ht h el a s e rc l a d d i n gt e c h n i q u e ，w i mk 曲 e n e r g yd e n s i t yb e a m sg e n e r a t e dr a p i dm e l t i n g ，m a d et h es u b s t r a t es u r f a c ef o r mt h el a y e ro fa l l o ) r w h i c hf u s e dw i 也s u b s t r a t et o g e t h e ra n do b t a i n e dt h em e t a l l u r g i c a lc o m b i n a t i o nw i t hs u b s t r a t e ， b u th a sc o m p l e t e l yd i f f e r e n tc o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e sf r o mt h es u b s t r a t e t h i sm e t h o d i m p r o v e dt h ew e a r - r e s i s t i n g ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h e a tr e s i s t a n c ea n da c h i e v e dt h eo b j e c t i v eo f s u r f a c em o d i f i c a t i o no rr e p a i r ，w h i c hn o to n l ys a t i s f i e dt h es p e c i f i cp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s ，b m a l s os a v e dal o to f p r e c i o u sa n d r a r em e t a lm a t e r i a l s 蕊：p a p e l ：e x p o u n d s _ t h ei n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo r g a n i z a t i o nu n d e rf o u r d i f f e r e n tr a t i oo fp o w d e r ，2 4d i f f e r e n ts e t so fl a s e rc l a d d i n g p a r a m e t e r s ，h e a tt r e a t m e n t a n d c l a d d i n gr a t eo nc l a d d i n gl a y e r s ，s t u d yt h em i c r o s c o p i cm o r p h o l o g y ，m i c r o s t r u c t u r ea n d c h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，m i c r o h a r d n e s sb ym e t a u o g r a p h i cm i c r o s c o p e ，s e m ，m i c r oh a r d n e s s t e s t e ra n de l e c t r o np r o b e ，c o m p o s i t i o na n dp r o p e r t i e sf r o mt h es u b s t r a t e t h i sm e t h o di m p r o v e d t h ew e a r - r e s i s t i n g ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h e a tr e s i s t a n c ea n de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c ss i g n i f i c a n t l y a n da c h i e v e dt h eo b j e c t i v eo fs u r f a c em o d i f i c a t i o no rr e p a i r d e m o n s t r a t et h eo p t i m a ll a s e r c l a d d i n gp o w d e ra n dc l a d d i n gp a r a m e t e r s b e s i d e ，w eu s et h eh i 吐t e m p e r a t u r es t r e t c h i n ga n d h i 曲t e m p e r a t u r eo x i d a t i o nt ot e s tt h ec l a d d i n gs p e c i m e n sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e h a v ec o n c l u d e dt h a tt h eo p t i m a ll a s e rc l a d d i n gp o w d e ra r em d - w k d g - 5 + y 2 0 3a n dm d - - w k d g 一4 l + y 2 0 3 。w es h o u l dh e a tt r e a t m e n to ns u b s t r a t em a t e r i a lb e f o r el a s e rc l a d d i n ga n d c l a d d i n gt h r e et i m e so ns u b s t r a t em a t e r i a l ，t h eo p t i m a lc l a d d i n gp a r a m e t e r si sc u r r e n t10 0a ， p u l s ew i d t h10 0m s ，疳e q u e n c y12h z t h em i c r o h a r d n e s sc a r lb ea m o u n t e dt oh v 58 0 t h e - - r e r r w a n m 擎o f 。t h e m b s t m t e - m a t e r i a l 2b a s i c a l l y g e tf i x e d b e s i d e s ，t h eh i g ht e m p e r a t u r e , c o r r o s i o na n dt e n s i l ep r o p e r t i e sh a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y ，a n di ss u i t a b l ef o rt h ep l a n eo ft h e t u r b i n eb l a d e sh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i 曲p r e s s u r ea n ds 缸o n gc o r r o s i o nw o r k i n ge n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：n i - b a s e ds u p e r a l l o y ；l a s e rc l a d d i n g ；h i g ht e m p e r t u r eo x i d a t i o n ；h i g ht e m p e r t u r e s t r e t c h e s 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 前言 第一章绪论 高温合金通常是指以铁、镍、钴为基体材料，长期工作在高温( 6 0 0 。c 以上) 、高压、 高腐蚀等恶劣环境下的一种金属材料n 1 。基于其良好的力学性能和机械性能，如较高的高 温强度，持久的耐疲劳性能，良好的抗氧化性能和热腐蚀性能，广泛应用于航天、航空的 导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室四大热端部件，以及舰船、发动机、机车等工业中的 热端部件乜嵋3 。 随着工业技术的迅猛发展，为了适应高温合金越来越苛刻工作环境，对高温合金的力 学性能和抗环境破坏能力的要求也就越来越高。为了改变材料由于高温、腐蚀、摩擦和磨 损引起的表面失效，同时使材料的力学性能( 韧性和强度) 不发生变化，材料的表面改蛀 技术引起人们的密切关注，而且近年来材料的表面改性技术也取得了突飞猛进的发展h 咱1 。 表面改性技术是指采用各种物理或化学方法，用于改变材料的表面形貌特征、化学成分以 及微观结构等。传统的表面改性方法主要有有电镀、热喷涂、化学镀、堆焊、气相沉积及 表面热处理等方法。然而传统的表面改性技术已满足不了人们对材料表面越来越高的要 求，激光熔覆作为一项高速高效、新兴迅猛发展的表面改性技术，适用于各类金属的表面 改性与修复，与传统的技术相比较，它的界面具有良好的冶金结合性能，组织细密，熔覆 层成分均匀且稀释率( 5 8 ) 较低，极易实现工艺自动化的选区熔覆，对镍基高温合金的 表面修复具有重大的研究应用意义哺。8 1 。 1 2 镍基高温合金 1 2 1 镍基高温合金的特点 与铁基和钴基高温合金相比，镍基高温合金的工作温度高，有害相少，组织稳定而且 抗氧化和抗热腐蚀能力大，能在高于其它两种合金1 5 0 2 5 0 左右的温度下工作，被称之 为“发动机的心脏”，目前镍基合金在先进发动机上已占了总重量的一半，飞机上的涡轮 叶片、燃烧室甚至涡轮盘的压气机叶片也开始使用镍基合金。镍基合金的诸多优点与纯镍 本身的优点是分不开的。首先作为面心立方结构的镍，组织稳定，没有同素异构的转变， 其次具有很高的化学稳定性，不易氧化，此外虽然纯镍的力学性能不高，但塑性很好在低 温下塑性基本上不发生变化，尤为重要的是它具有很好的合金化能力，添加其它元素基本 上不会出现有害相，这就为改变镍的各种化学性能和力学性能提供了潜在的可行性 9 1 。镍 基高温合金一般分为镍基单晶高温合金、多晶高温合金和定向凝固高温合金。镍基单晶高 温合金是少数发达国家采用单晶技术研究的新型材料，它的特点是无晶界，无高温晶界弱 化和纵向晶界裂纹等缺陷存在，其合金化无需加入晶界强化元素，成分简单，大大提高了 合金初熔温度，具有优良的高温性能，单晶高温合金由均匀分布在基体中的立方颗粒y ( 体 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 积分数为6 5 ) 的沉淀强化相和y 基体相组成，与铸造与定向凝固高温合金相比，具有更 高的机械性能，热疲劳性能以及抗氧化和抗蠕变性能，是制造航空发动机和燃气轮机叶片 不可或缺的材料0 0 - n 】。 1 2 。2 高温合金中元素的作用 如何选择恰当的熔覆层取决于熔覆层的工 乍环境和所提供的基材。外界环境，熔覆层 与基体之间错综复杂的交互作用使得对于熔覆粉末的选择和设计变得十分困难，一般来 说，熔覆层粉末的选择要综合考虑它的机械性能、抗压强度、抗氧化抗腐蚀性能和粘附强 度等因素。在过去的几年中，随着沉积技术的改进通过实验和模拟涂层使得多涂层技术也 得到了快速的发展。以下为激光熔覆涂层中合金元素的简要介绍 2 1 ： 镍：会金化麓力强，添加其它元素也不易出现有害相，在镍基高温含金基体上熔覆含镍 的粉末可降低其扩教性低，降低a l 的活跃性。 钴：镍基合金中往往含有1 0 - 2 0 的钴，多分布于圃溶体基体中，进入少楣从而产生圃 溶强化侔用，此外锫还可以改变7 y 溶解度曲线，减少铝、钛溶解度，增加数量，再次 还可以改善食金的塑性和热加工性能，影响组织稳定性等。 铝：形成相的主要元素。在镍基高温合金表面涂层上形成一层氧化铝，防止温度达 n 1 2 0 0 时被氧化，在镍基合金中形成y y 相。 铬：增加抗氧化和耐腐蚀能力，此外还是氧化铬形成元素，对合金抗氧化腐蚀起保护作 用，防止温度达到9 0 0 时被氧化和被腐蚀，减小保护层a b 0 3 的量从而节约铝。 硅：硅元素可以有效地防止较低温度下的热腐蚀，提嵩n i 。忿合金表层a 1 2 0 3 的形成。 钇：有利于提高镍基和钻基高温合金表面氧化铝和氧化铬的粘附性能，改变氧化物从正 负离子扩散中长大以及降低氧化铬的氧化速率。 铪：有利于提高氧化铝和氧化铬在自然环境中生长和提高氧化锆垂勺堆积能力。 铂：延迟铝化合物中1 3 - n i 3 a 1ny n f 3 a i 柑的转变i 滕麟簿漪簿葱搴摧邓的扰氧化性靛； 锂：有利于加强圆溶体中的y 。和y 相的生长，抑制镍的扩散，提高抗氧化性能和抗热腐 蚀性能，降低热膨胀系数，提高熟稳定性，此外，与碳有很大的亲和力，能有效的细化晶 粒。 钛：形成相的主要元素，加速合金与氧化物界面氧化铬的形成，降低镍基合金表面 的热膨胀系数。 1 2 。3 稀土元素的作用 焊条药皮中的稀土有净化、变质以及强化的作用，大大改善焊条工艺性能，焊缝力学 性能，焊缝强度和冲击韧性随着稀土含量的增加而增加，弓| 焊牲好，不易断弧，熔渣黏度 适中，对焊缝表面覆盖性好，所以焊缝成形好，焊缝金属脱渣性能好。除此之外，稀土元 素能够脱氧脱硫，改善液态金属的流动性瓶净化焊缝、细化晶粒，改变碳化物分布形成紧 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 密网架结构，改善熔覆金属的耐磨性、耐腐蚀能以及耐高温性能和抗裂能力。药芯中的稀 土与焊条配合使用可提高焊缝金属性能，在熔覆过程中直接在熔池中参加冶金反应。稀土 元素钇能很大程度上降低熔覆金属中氢的含量扩散，提高熔覆层的冲击韧性。 稀土元素在激光熔覆过程中的作用是由稀土元素的化学性质决定的。大的原子半径使 它的固溶度极低，它较高的化学活性使它在化学反应中非常活泼，极易与氧、硫及金属作 用，生成化学性质稳定的化合物。稀土元素在金属中的作用主要有： 1 2 - 1 3 】 ( 1 ) 减轻有害相的影响，防止出现晶间裂纹和疏松等缺陷给性能带来危害。此外也可降 低铝中硫和氧的含量，防止生成异质晶核。 ( 2 ) 稀土元素具有细化晶粒和枝晶组织的作用，能够增强熔覆层的热塑性。稀土元素可 细化熔覆层组织从而改善熔覆层的热塑性。 ( 3 ) 稀土元素还可以改变夹杂物的形态特征和分布状况。稀土元素与熔覆粉末中杂质物 发生化学反应生成新的化合物并在晶界处析出，从而改变原有固溶方式，降低夹杂物含量。 ( 4 ) 产生强化作用。降低稀氢氧和夹杂物量，能够细化晶粒及枝晶网络，消除粗大块状 组织，稳定晶界。 ( 5 ) 提高含稀土熔覆材料的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能。 1 3 激光熔覆 1 3 1 激光熔覆的特点 激光熔覆是以激光为热源，通过物理或化学方法在材料表面涂覆一层想要达到性能的 涂层，它的主要机理是激光束照射覆于缺陷处的熔覆粉末，使之充分熔化，但基材表面微 熔，冷凝后形成一低稀释的熔覆涂层，从而改善缺陷 7 1 。激光熔覆的熔化主要发生在熔覆 粉末中的纯金属中，表层微熔的目的是为了达到良好的冶金结合，从而增强熔覆层与基材 的结合力，并抑制丕需要元素与熔覆粉末中元素相互渗透而改变熔覆层的化学成分和力学 性能。激光熔覆得到的熔覆层组织细密，一般状况下不存在气孔和空穴，它的的显著特征 是基体表面形成新的涂层，它的化学成分和组织结构都与基体材料的不同，性能也由其本 身的化学成分来决定。熔覆方法主要有预置法及同步送粉法两种，如图1 1 所示【6 】。 第4 页 武汉科技大学硕士学位论文 一运行方向一逅行方向 嘞 图1 1 激光同步送粉( 左) 与预置送粉( 右) 不惹图 激光熔覆的方法是采用激光加热基体表面材料从而形成一个较浅的熔池，同步送入预 定成分的熔覆粉末或预先在基体表面涂覆一层涂层与基材一起熔化并且迅速凝固，得到一 新的熔覆层。熔覆时熔入的基体材料的量将会影响涂层成分的变化和涂层使用性能，故我 们采用稀释度来描述涂层成分因基体材料的熔化混入引起的成分变化。单道熔覆后的涂层 如图1 2 所示的熔覆层典型的几何参数特征来表示：熔覆层高度h ( m m ) ，熔覆层宽度 w ( m m ) ，粉末熔化面积a c ( m i n 2 ) 和基材熔化面积a m ( 舢n 2 ) 。在表征的几何参数中，稀释率 d 和界面角0 是非常重要的两个表征量。稀释率( d = _ _ 冬) 是来表征基体材料在熔覆过 a m + a c 程中与外加粉末间的交互作用程度。由于熔覆层和基材材料的宽度存在着相互对应的关 系，且与熔覆工艺参数无关，所以几何稀释率也可简化为：d = _ 睾( d 稀释率，h m 尼c + ，z ，竹 基材熔化区的熔化深度，h c 粉末熔化区的高度) 。再从冶金学角度出发，为获得良好的结 合涂层，基体和涂层之间也需要有一定程度的稀释率，从实际使用效果来说，涂层的使用 效果与稀释率成反比，所以稀释率d 一般保持在比较低的水平。在实践中，往往需要有较 大的界面角来避免涂层中产生疏松从而避免搭接过程中形成“死角”，预防造成孔洞等缺陷 而影响服役效果。界面角同样也可以用熔覆层宽度w 及熔覆高度h 来计算： 口= 1 8 0 2 a r c t a n 等) ( 1 1 ) 激光熔覆的目的是为了提高材料的耐腐蚀，耐磨损以及耐高温等性能，从而提高材料 的表面性能，满足飞机发动机涡轮叶片，汽轮机、燃机等关键部位的修复再利用。 武汉科技大学硕士学位论文 第5 页 l a s e r 触幽c o a 图1 2 激光熔覆预置粉末示意图( a ) 熔覆层截面的示意图( b ) ( c ) ( d ) 及熔覆层截面的几何形状图( e ) 1 3 2 激光与金属粉末交互作用的研究 在研究金属粉末与激光的交互作用过程中，热传导与热对流对交互作用起着重要的影 响，当激光束照到工件表面的瞬间产生极高的温度区，该温度区的温度分布是激光加工工 艺制定的主要参考条件。在熔覆过程中，激光照射在预置有粉末的基体材料之上，并对基 体的局部区域进行加热、熔化和冷却凝固从而形成熔覆层，它的作用特征有：集中热作 用，瞬时热作用。在快速的温度场变化和其它因素的影响下不能在实验过程中测定温度 场分布，所以需要对激光加工温度场进行理论化研究分析。 在以往的理论研究中，通常用下列方程来描述金属粉末和激光交互作用过程中的热传 导行为，公式( 1 2 ) 热传导方程式【1 4 】： p c 鲁= 昙( 触詈) + 毒( 砂哥 + 昙( a “, z 暑) + 酉 2 ， = i 以x l + l 栅_ l + _ l_ l 十( 1 z ) 街彘i国劫i 。匆j 昆l 昆i 。 、7 式中：p 一密度；c 一比热容；2 x ，砂，允一导热系数； t _ 一温度；卜时间；q 一内热源密度。 由于金属粉末的种类繁多，所以不可能对每一种金属都进行熔覆和研究其温度场的分 布。此外，金属粉末的烧结具有升温快、温度高、作用范围小等一系列特点，也不可能 用实验的方法来获取其温度场的分布，所以采用有限元模拟和必要的实验来研究温度场的 分布。激光与金属粉末的热传导行为可用热传导定律和能量守恒的三维经典热传导方程来 描述它的热传导泛定方程为公式( 1 3 ) 【l5 j ： c p - 百a t = 缸：【萨a 2 t + 窘+ 害 ( 1 3 ) 式中：c 一材料的比热容；p 一粉末材料密度；k e 一粉床有效热传导率 在激光与金属粉末交互完成后，金属粉末的温度对熔覆也起着尤其重要的作用，为了 避免熔覆过程中产生大的温度梯度，熔覆前应当对进行熔覆的基体材料和粉末材料进行预 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 热，设定均匀预热温度为r o ，则泛定方程( 1 3 ) 的初始条件为公式( 1 4 ) 1 6 】： r ( x ，y ，z ，t ) t = 0 = r o( 1 4 ： 在熔覆过程中，粉床上表面与周围环境存在着热对流与热辐射，其温度场边界条件方 程为【1 6 】： 一玉名罢冬j z = o + h ( r s 一疋) + d 苫p 4 一巧) ：g ( 1 5 ) 式中：b 一粉床表面温度；砭空间环境温度；h 一对流换热系数； g 一热辐射系数；盯一s t e f 撕b o t z m a n n 常数，约5 6 7 1 0 8 形i 聊2 k 4 ) ； 此外，激光熔覆质量还受到激光功率密度、光斑尺寸、扫描速度、熔覆材料的化学成 分、搭接率以及单位时间熔覆量等工艺参数的影响。一般采用熔覆层宽度、厚度、平整度、 硬度、熔覆层表面的裂纹及气孔量来衡量激光熔覆质量。 单位时间内激光作用在工件上的功率密度被称之为比功率e ，它是激光熔覆的主要工 艺参数。且激光的比功率e 服从高斯分布【1 7 】： 如小兰e x j - 2 ( x - x o y + _ ? - y o y ( 1 6 ) 黝 l 缈 j 式中：q ( x ，y ) 一激光功率密度；p 一激光功率；一激光光斑半径； a _ 一粉床对激光的吸收率； b g x o 罗+ ( s - y o 罗一粉床内任一点到光斑中心的距离； 激光熔覆的比功率大约为1 0 3 1 0 5 w c m 2 s o 比功率的增加使得熔覆层的平整度相应 增加、从而开裂倾向会减少。但过大的比功率和过慢的扫描速度会引起熔覆层烧损，稀释 率变大，热影响区也相应增大。过大的比功率会造成表面球化现象，降低功率密度可以使 表面粗糙度降低。通过以往的研究证明固定扫描速度和粉末配比，激光功率会引起烧结不 够致密化，当激光功率提高到合适范围就极易实现烧结成型，但功率密度过高又会使熔池 过度熔化而无法形成连续的烧结线。因此将功率密度调节为一适当的值对烧结精度有着至 关重要的作用。 激光熔覆过程中，移动的激光热源形成的温度场的表面形状与静止的激光束所形成的 圆形分布是不同的，它是呈现一个拖着尾巴的慧星状，熔覆前端更为细密，并且熔池中的 最高温度稍滞后于激光光斑中心。激光熔覆层宽度主要受光斑尺寸的影响。 在满足基本熔覆条件下，光斑直径的大小与熔池尺寸的大小成正比，所以小的光斑直 径较容易精密成型。但光斑直径太小使得激光作用区能量提高从而引起熔覆粉末飞溅等现 象。 扫描速度同样也是熔覆过程中影响熔覆质量的一个重要因素，快的扫描速度使激光束 作用于某点粉末的时间缩短，从而产生飞溅现象使熔覆区材料减少而影响熔覆层的质量， 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 固定激光功率，扫描速度越快，熔覆层平整度越好，开裂倾向也越小，但会造成熔覆层分 层。扫描速度过慢，会造成熔覆层收缩变形及开裂使熔覆层合金粉末烧损，稀释率变大， 热影响区也相应变大。所以为了保证熔覆过程中层与层之间能够良好结合和熔覆层收缩变 形小，应当选择一个合适的扫攒速度。 烧结层厚不仅仅与激光功率和扫撼速度有关，而且与扫描间距也有着至关重要的作 用，随着扫攒间距增加单层烧结层厚将减小，当扫搂间距小于光斑直径时，激光对粉末材料 的加热存在着重复扫描和非重复扫描现象，使得激光对粉床的加热不均匀，造成烧结温度 场的湿度不均焉引起翘曲变形和在相邻扫描线之间粘结不牢可成形的情况下烧结层厚与 扫描闻距存在如下关系【1 8 】，即 e 印( 一等) 式中k 为比例系数，与激光功率、扫描速度及粉末材料的物理性能有关， 描间距下虎结层厚的比值日渊为： 移= 害= e 文簪) 式中；b l ，b 2 代表不同韵扫描间距； ( 1 7 ) 。 从而不同扫 ( 量。8 ) d l ，d 2 一对应扫描为间距反，b ，下的烧结层厚 在大多熔覆过程中，熔覆是采用逐层扫描粉末霉佬成型的。帮由点到线、线到瑟、由 二维到三维逐层熔覆成型的，鼠此合理设计扫描路径对提高熔覆成型具有十分重要的意 义。所以在熔覆精度、强度均满足要求的条件下，必须要提高制件的成型效率。经过分析 用于激光扫描的路径蓝线应满跫以下条件： ( 1 ) 扫描盥线是非鸯交的，同一点不允许熔覆两次，从而预防局部熔覆过度。 ( 2 ) 扫描曲线应当均匀韵布满整个平面，避免空洞存在，从而预防熔覆不均匀； ( 3 ) 在x 、y 两坐标上扫描次数也要尽可能相同，以避免翘益变形； ( 4 ) 应尽量选择简单、易控制韵赫线来控制扫描路径，满足实际应用要求。 1 3 3 激光熔覆工艺对熔覆件组织、性能关系的影响 激光熔覆的过程中，熔覆工艺参数如扫描速度、激光功率、离焦量、载粉气量和粉末 成分及熔覆气氛对熔覆件的组织性能有着极大的影响。 固定送粉速率，熔覆层组织将伴随着扫描速度的变大趋于细化。熔覆层的组织主要受 加热冷却条件以及成分的影响。依据作用于熔覆过程中的激光能量密度和时间： p r = 高 ( 1 9 ) 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 ：丁2dt ( 1 1 0 ) = r 】1 0 、 圪 v 。 其中：p 一激光输出功率；形一扫描速度；卜光束半径； 激光束照射时间随扫描速度的减小而增大，输出能量就相应增大，熔覆层的冷却速度 就越来越慢，使得粗大的树枝晶更利于形成。固定其它工艺条件，扫描速度越快，作用于 熔覆粉末和基体的时间就越短，输入能量就越小，基体吸收能量线密度也相应越小【1 5 】，基 体熔化量减少且基体对熔覆层的冷却速度就越快，温度梯度也就增加，成分过冷度也会相 应变大，易于获得组织细密的熔覆层。 此外扫描速度的大小对激光对粉末材料的加热时间也有影响，加热时间越长，熔覆层 厚越大。扫描速度过大会引起激光加热材料时间不够，材料不能达到充分熔化，造成熔覆 层和基体间及熔覆层与熔覆层间不能够实现良好的冶金结合。但扫描速度太小，粉末熔覆 成型过程中翘曲变形量又会增大，因此选择一合适的扫描速度对熔覆成型是相当重要的。 在熔覆过程中，合金粉末和基体表面熔化的热量来源于激光束，熔覆效果同样也受它 的影响。过低的激光功率使合金粉末不能完全熔化，容易造成表面粗糙，实现不了良好的 冶金结合，过高的功率使熔覆区内的粉末急速升温，没有足够的时间来扩散能量，使部分 粉末材料直接汽化而生成金属蒸汽，再与粉末材料中的气体在激光作用区内发生物理变 化，造成剧烈的粉末飞溅现象，带走熔池及周边金属粉末，使得熔覆过程无法正常进行【1 9 】。 激光功率的大小与熔覆厚度基本呈线性变化。熔覆厚度随着激光功率的减少而减小。 激光功率过小，将使层与层之间无法牢固粘结，从而无法完成层层叠加使层层之间的粘结 不牢、力学性能较差不利于后续处理等缺陷。随着激光功率增加，单层粘结厚度增加，有 利于层层之间的粘结成形，但由于粉体中的气体在熔覆过程中受到激光的加热膨胀爆炸使 得成型过程飞溅现象严重，降低成型件的致密度和成型件的表面质量，同时引起翘曲变形 幽】。过高的激光熔覆功率会使熔覆层表面生成“黑斑”，这种现象产生的原因为过大的能 量密度引起的过度烧伤。同样激光头处的过高温度也会影响实验设备的使用寿命。 ab e 图1 3 正离焦和负离焦 具有过强方向性的激光束也有一定的发散角。我们把激光焦点所在的平面称为焦平 武汉科技大学硕士学位论文 第9 页 面。离焦量为上表面与焦平面之间的距离，一般有正离焦和负离焦两种离焦方式。如图1 3 所示，正离焦指焦平面在材料上方( 图a 、b 所示) ，焦平面在材料下方的称之为负离焦( 图 c 所示) 。 按几何光学理论，当正负离焦量一样时，它们所对应平面上功率密度也基本上相似， 一般在实验中应当采用正离焦，原因是： ( 1 ) 粉末从送粉喷嘴出来后分散着进入辐射区，辐射区的很大范围内都存在粉末，在焦 平面上的激光辐射区是倒锥型的，其下的辐射区是圆锥型的，而粉末进入圆锥形区域要更 方便，因此采用正离焦方式有利于提高粉末的利用率。 ( 2 ) 负离焦时材料内部的功率密度较高，易形成更强的熔化汽化从而形成较厚的熔化 层，而激光熔覆所需的基材表面熔化层则极薄，故不宜采用负离焦。 ( 3 ) t 离焦加大了光学系统的工作距离，而减小了反射回来的激光对激光头和其它部件 的热影响，利于延长零件的使用寿命。 此外，离焦量还对熔覆层结合面的形貌有影响，熔化深度伴随离焦量增加而减少，界 面结合也将趋于良好。这种现象产生的原因为【2 0 j ，激光束中心与边缘能量密度的差别使中 心部位与边缘部位的能量差变大。小的离焦量使激光作用中心的能量比边缘低，造成边缘 的基材不能充分熔化引起熔合不良。大的离焦量可使基材表面能均匀熔化从而形成良好的 熔合区。因此离焦量是影响熔覆层界面熔合性的重要因素之一，为了得到良好、完整的熔 覆界面需要适当调整聚焦镜的高度。 送粉速度过大，金属粉末由于能量不足不能全部熔化，在熔覆层中聚集产生空洞引起 组织不均匀，过快的熔化和凝固使液体不能充分搅拌，引起熔池中的气体不能及时释放， 造成熔覆层组织不均匀含有气孔。送粉量过大时，使得熔覆层过厚，在快速凝固阶段产生 的内应力过大且来不及释放就会产生裂纹。送粉量对熔覆层质量有着非常重要的作用。 熔覆过程中为了得到具有致密组织且缺陷也少的高质量的薄熔覆层。通常我们加大扫 描速度和降低送粉速度来降低熔覆层厚度。但过高的扫描速度使熔覆层中易产生气孔【2 l 】， 同样还会影响熔覆层与基体的结合性能。所以要获得较薄的熔覆层就必须减小送粉速度。 1 4 国内外研究现状 激光熔覆在实际生产中的第一项工业应用是1 9 8 1 年r o l l sr o y c e 公司对r b 2 1 1 涡轮发 动机壳体的结合部件进行激光熔覆。其后，众多公司在实际生产中采用激光熔覆技术。此 外，2 0 世纪8 0 年代之后已经开始进行实际生产应用，激光熔覆技术在汽车工业生产中的 应用有缸套、曲轴、换向器、活塞环、齿轮等热处理，在航空航天、石油行业、模具行业 以及机械动力行业也得到了大力的实际生产应用。 郭桂房【2 2 】等人研究了激光熔覆技术在钛合金表面改性中的应用，他们认为：通过激光 熔覆技术，可以显著改善钛合金表面的耐磨性。董燕 2 3 】等人研究了微锻造对激光熔覆快速 成型试样裂纹的研究，他们的研究结果表明：微锻造可以改变激光快速成型过程中试样的 残余应力状态，将拉应力转变为压应力，大量减少裂纹，从而使激光快速成型试样的综合性 第1 0 页 武汉科技大学硕士学位论文 能得到了显著提高。杨永强【2 4 】做了激光熔覆高温耐磨合金的研究，利用2 k w c 0 2 激光，用 送粉激光熔覆工艺实现一种高温合金的激光熔覆。姜伟【2 5 】等研究了激光熔覆在飞机叶片修 复过程中的应用研究，他们的研究表明：修复飞机叶片的材料可以用舢y - n b ，它可以与 基体达到良好的冶金结合，且组织细密无裂纹，具有良好的耐腐蚀性能。李晓莉【2 6 】等研究 了激光熔覆在镍基铸造高温合金k 4 0 3 中的应用，实验研究表明：激光熔覆过程中大多数 裂纹都是从基体形成后深入到熔覆涂层的，开裂的主要原因为缩松的铸造缺陷和晶界低熔 点共晶。改善熔覆层裂纹的主要方法有采用无硼、硅的合金元素和加入稀土氧化物等。 以上主要为当前国内高温合金激光熔覆的主要研究现状，接下来将对当前国外的研究 状况做一简要阐述。相较于国内而言，在高温合金的激光熔覆上，他们有着较为完善的研 究状况。德克萨斯州大学的j o r g ea r a m o s 2 7 】等人研究了选择性激光工艺参数在镍基高温 合金上单层熔覆的研究，研究表明：使用m a r - m 2 4 7 粉末在多晶7 1 8 合金上进行选择性激 光熔覆单层熔覆层，熔覆过程中采用n d ：y a g 激光束照射在绝缘槽上有选择性的熔化粉床， 并且采用真空保护气，结果表明在过渡区形成了大量的树枝晶，熔覆层与基体达到了良好 的冶金结合，为在多晶合金上熔覆单晶合金是具有可行性的。哈佛大学的w e i p i n gl i u 2 8 1 等人研究了采用激光熔覆技术在n i 3 a 1 基合金上直接熔覆单晶合金，研究表明：通过调节 激光熔覆工艺参数，减小温度梯度消除粗大晶的生长是组织更加细密从而提高高温强度和 抗氧化能力。，来自于韩国高温材料研究所的y u t a k ak o i z u m i 2 9 】等人研究了新一代镍基单 晶高温合金的发展状况，他们的研究表明：m o 可以很大程度上提高高温合金的晶格错位， r u 可以提高高温合金的稳定性，高温热处理可以提高它的抗蠕变强度和改善它的微观组 织。通过加入特定的元素对其进行激光熔覆改善了高温合金的微观组织结构和提高了其力 学性能，对材料的重复再利用做出了巨大的贡献。日本九州大学的e d s o nc o s t as a n t o s 3 刚 等人研究了镍基单晶高温合金通过激光熔覆后的显微组织的变化，通过在c m s x 4 镍基单 晶高温合金熔覆r e n en 4 合金层，研究其定向凝固在温度参数下的变化，从而寻求提高高 温强度灼最娃熔曩亮法，结果表明熔覆层与基材达到了较好的冶金结合，温度梯度有利于 分解有害相和生成强化相。此外还有许多关于铸造和多晶高温合金的研究及应用对当前高 温合金的激光熔覆都具有极大的贡献和实际应用价值。蒋帅峰【3 0 】等人也研究了热处理对 k 4 0 3 组织和性能的影响。 当前激光熔覆在不锈钢、可锻铸铁、铜合金、模具钢、钛合金、灰口铸铁、铝合金及 高温合金、自熔合金粉末等材料中都得到了广泛的应用。在铁基合金粉末上采用激光熔覆 可提高局部耐磨。在镍基合金粉末上采用激光熔覆可提高局部耐磨、耐热腐蚀和抗热疲劳 性能。在钻基合金粉末上采用激光熔覆可提高耐磨、耐蚀和抗热疲劳性能。在陶瓷涂层上 采用激光熔覆可提高耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化性性能。k 4 0 3 高温合金属于镍基铸造高 温合金，它具有较高的热强性、组织稳定和铸造性能好，主要应用于9 0 0 - - 一1 0 0 0 的涡轮 导向叶片和8 0 0 以下的工作叶片。 壅圣翌垫查堂堡主堂垡笙奎 笙! ! 蔓 1 5 课题来源及论文研究的意义和思路 激光熔覆是一项新兴的、迅猛发展的表面改性技术，它在高功率的激光能 f 1 0 4 1 0 6 w c m 2 ) n 射下，基体材料与熔覆粉末同时熔化，形成厚度约1 0 1 0 0 0 am 的熔化层 并快速凝固的工艺方法，它是激光加热熔化熔覆粉末、熔池物质相互进行交互作用和快速 凝固成形等学科相互交叉应用的- - i 7 新型技术。近年来，在表面领域中激光熔覆一直是比 较活跃的研究课题，国内外在高温合金等材料上做了大量研究工作，并取得了显著地成效， 为工业化科学发展道路上清除了一个又一个个障碍。 本课题依托于中国航空工业集团公司北京航空工程制造所的研究背景，采用激光熔覆 技术对现服役的的k 4 0 3 高温合金渗铝叶片的渗铝层的现状进行分析，并对失效区的性能 进行恢复。在实际生产应用中k 4 0 3 涡轮叶片常因高温腐蚀、冲压磨损和高压等恶劣工作 环境产生热疲劳，表面磨损等造成叶片表面失效。但由于涡轮叶片采用的高温合金昂贵其 制造成本比较高，使用数量也相应较大，因此对强化和提高涡轮叶片的使用寿命及修复损 伤叶片有着非常重要的意义。一般通过激光熔覆修复的叶片具有质量好、易于实现生产自 动化，生产率高、修复成本较为合理的特点。k 4 0 3 镍基铸造高温合金通常广泛应用于9 0 0 。c 以下涡轮叶片和1 0 0 0 以下的飞机导向导向叶片，先后被多个国家应用为飞机发动机的 叶片材料，是我国迄今为止应用最广泛的一种铸造镍基高温合金。对燃气轮机、飞机发动 机的热端部件的维修做处了巨大贡献，在国内外已成为涉及材料、加工、焊接、涂层等众 多技术密集的一种新型产业。且再巨多科学人员的实验研究论证下此工艺翻修过的叶片在 一定程度上优于全新的叶片。鉴于其可靠性要求和经济性原则，此技术对高温合金k 4 0 3 进行渗铝层修复必将称为一种更为优化的产业。 本实验课题将在已有理论和实践的基础上更进一步丰富激光熔覆技术的理论，为促进 激光熔覆技术的工业化进程做出一定的贡献。 1 6 研究内容 本课题中通过高温合金中各种元素的性能，选择具有各种特定性能的元素成分配置几 种具有特定性能的粉末，通过激光熔覆将这几种粉末在2 4 组不同的激光熔覆参数下分别 熔覆于k 4 0 3 镍基高温合金上，采用显微金相、扫描电镜、x 射线等检测方法对熔覆层的 表面形貌和熔覆层化学成分进行分析，研究最适于激光熔覆的粉末参数和激光熔覆参数， 并进一步研究如何抑制熔覆层表面缺陷的生成。此外通过熔覆层显微镜、高温拉伸机和高 温氧化炉对熔覆层的显微硬度、断口形貌和熔覆层表面被氧化程度来分析研究在所寻求的 熔覆粉末和激光加工参数下熔覆层的表面耐磨性、耐高温氧化腐蚀性能能和高温拉伸性能 的变化，看最终是否能达到所需求的效果。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 1 基体材料 第二章实验材料和方法 本试验基材采用中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所提供的用于飞机发 动机涡轮叶片的k 4 0 3 高温合金，该合金是含有c o 、w 、m o 、a 1 、t i 等多种元素复合强 化的n i 基铸造高温合金，其化学成分如表2 1 所示： 表2 1i ( 4 0 3 的元素的质量分数比，w t 本次研究分别采用了两种厚度的实验样块，其中编号0 1 的为厚( 8 4 r a m ) 未经过热处 理的样块，编号0 2 的为厚( 5 8 m m ) 经过热处理的样块。 2 2 实验设备 2 2 1 激光加工设备 在本次试验中，用于激光熔覆的设备是n d y a g 固体脉冲多功能激光加工机，如图 2 1 所示。它的波长为1 0 6 1 a m ，为二氧化碳激光器波长的1 1 0 ，最大输出功率为3 0 0 w ， 最大工作电流4 0 0 a ，脉冲宽度( o 1 1 5 m s ) ，最大单脉冲能量6 0 j ，有利于聚焦和光纤传输， 便于实现技术柔性化，且与金属的耦合效率高，加工性能好，此外y a g 基质很硬，光学 质量也比较好，热导率高便于激光熔覆，降低温度梯度。 2 2 2 测试分析仪器和设备 采用激光器激光熔覆完毕之后，首选采用超声波对试样进行初步清洗，再采用镶嵌仪 器镶嵌，再依次在粗、细砂纸上打磨成镜面，并在p h o n e n i x4 0 0 半自动抛光机上抛光，再 用腐蚀液腐蚀，无水乙醇擦拭。然后采用型号为a x i o p l a n 2 的金相显微镜和x l 3 0 t m p 扫 描电子显微镜对微观组织加以观察和化学成分进行分析，用型号为h m 11 4 的a k a s h i 显 微硬度仪器，h x d 1 0 0 0 t m c 显微硬度计进行试样硬度检测初步选定熔覆效果较佳的试样， 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 然后通过高温炉加热保温和高温拉伸进一步研究其组织性能从而选定熔覆效果最佳的熔 覆试样。 2 3 实验方法 2 3 圭激光成型工艺试验 试验工艺流程图如图2 。l 所示： 图2 1 试验工艺流程图 在本试验中，编号为0 l 系列的k 4 0 3 试祥没有经过热处理，编号为0 2 系列的k 4 0 3 试样经过热处理，其具体热处理工艺可参考以往的实验研究。对于本实验中的k 4 0 3 高温 合金采用时效热处理。对镍基铸造高温合金时效热处理的目的是为了提高合金的中高温持 久性能和减小中高温下性能的波动。一般在热处理的过程中应注意： ( 1 ) 时效处理温度一般为8 6 0