方志民,謝頌京,姚建華
摘　要: 　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:1Cr18Ni9Ti 不銹鋼;堆焊材料:激光含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)過程中,材料微組織間形成非均勻的溫度場和熱應(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(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/ （ Vs ×2 d） 和作用時(shí)間t = 2 d/ Vs 。式中P 為激光輸出功率; Vs 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. 7～1mm,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(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)Vs 增加時(shí), Pw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, 在基體與堆焊層過渡區(qū)呈現(xiàn)出柱狀和樹枝狀的晶體結(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(dǎo)兩個(gè)方面。因?yàn)槎押溉鄢匦?基體材料較大,基體對熔池的冷卻速度非?？?。因此晶體生長相當(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(xì)小于是就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(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。

3.3 　耐磨性
　　臥螺離心機(jī)葉片的失效分析表明, 葉片失效主要是由于螺旋葉片在推動分離液沉渣固相顆粒時(shí)所造成的葉片磨損。
　　為測定葉片堆焊層的耐磨性能, 我們試制了尺寸為30 ×60 ×5mm 的試樣,其磨損面堆焊Ti 合金與同樣基材、同樣尺寸試樣（不堆焊Ti 合金） 各兩塊安裝于圖5 模擬試驗(yàn)機(jī)上,安裝角度15°, 軸轉(zhuǎn)速為200r/ min ,磨料為Φ1. 5～ Φ2. 2mm 的精洗石英砂[3 ] 。由圖6 磨損試驗(yàn)曲線可以看出, 激光堆焊Ti 合金比基材耐磨性約提高5 倍。
3.4 　耐蝕性
考慮到臥螺離心機(jī)的工作環(huán)境,過濾液對葉片表面的腐蝕較為嚴(yán)重, 為測定激光堆焊層抗腐蝕性能, 用0 . 1當(dāng)量濃度H2SO4介質(zhì)測定堆焊材料陽極極化曲線,如圖7 所示。

　　堆焊層材料鈍化電流和臨界鈍化電流密度均很小,具有較寬的鈍化區(qū)范圍和較小的鈍化區(qū)電流密度。表明該材料容易鈍化,腐蝕速度小,在酸性介質(zhì)時(shí)有較好的抗腐蝕性能[4、5 ] 。
4 　應(yīng)用及結(jié)論
（1） 在LWD200 型臥螺離心機(jī)葉片上采用激光堆焊后,經(jīng)累計(jì)1000h 的運(yùn)行表面光澤明亮,磨損較少,堆焊無剝落及裂紋。
（2） 激光堆焊層組織為細(xì)化的柱狀晶也滿足使用要求,因此該技術(shù)應(yīng)用于臥螺離心機(jī)葉片作耐磨層堆焊簡單易行實(shí)用價(jià)值高。
（3） 激光堆焊形成表層1mm 厚度的硬化層,硬度提高2 倍,模擬試驗(yàn)?zāi)湍バ阅芴岣? 倍,在酸性介質(zhì)中有較好的抗腐蝕性能。