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卧螺离心机螺旋叶片激光堆焊应用研究

传统的叶片磨损改进的措施大多采用焊接不同材料的叶片衬板, 喷焊硬质材料或镶嵌 ALO 陶瓷衬片的方法 。由于喷焊常常存在结合强度低、有气孔、组织不致密 ,成份不均匀 、叶片变形大等问题;而陶瓷片镶嵌又存在着衬片与基体结合牢固性差,在离心机高速旋转时易脱落而造成事故,难以满足卧螺离心机的工作条件。因此我们根据卧螺离心机设计及工作的特点, 对耐腐蚀环境工作的不锈钢卧螺离心机叶片激光耐蚀耐磨合金材料堆焊强化进行了研究, 取得了较好的应用效果。
基体材料:1Cr18Ni9Ti 不锈钢 ;堆焊材料:激光专用含 Ti 合金焊料。采用预置法激光堆焊, 每一次获得一个单道堆焊层,各个堆焊道之间留有间隔 ,避免各工序之间的热影响。采用 7kW 横流 CO2 激光器;实验时激光的输出功率分别为 2 .8kW 和 3 .0kW;输出的激光束光斑直径为7mm。不锈钢的激光堆焊是一个复杂的冶金和结晶的过程, 由于激光加热和熔化冷却速度都很高, 故在加热 、冷却或熔化凝结过程中, 材料微组织间形成非均匀的温度场和热应力,易于造成裂晶、裂纹等缺陷 。为了得到良好的堆焊层的质量(如堆焊层表面光滑 、无裂纹 、良好的冶金结合等),需要调整与此相关的激光工艺参数(激光的能量密度、扫描速度)使之形成良好的匹配性, 并进行试样模拟磨损实验、耐蚀试验 ,以得到良好的激光工艺参数使之具有较好的匹配性能。
采用线切割方法切割, 并采用电解抛光和电解腐蚀的方法制备试样。在表面上沿与扫描垂直的方向测量硬度沿宽度的变化和沿深度方向的变化。采用 Vickers 硬度值(200g15s)表示硬度测量的结果。
卧螺离心机分离时变化曲线
为描述工艺参数的影响, 引入激光作用能量密度 Pw =P/(Vs ×2d)和作用时间 t =2d/ Vs 。式中 P 为激光输出功率 ;Vs 为扫描速度;d 为光束半径 。选择不同工艺参数进行试验研究 。
显微硬度
通过激光堆焊后能够得到比其它方法得到更高的硬度值。图 1 、2 分别示出了不同激光工艺参数之间的变化规律。如图 1 所示 ,在不锈钢上堆焊合金后硬度明显提高, 堆焊层平均硬度 HV400 ,堆焊层厚度 0 .7 ~ 1mm, 堆焊层硬度呈梯度过渡。在相同的速度下 ,随着激光功率的增加 ,堆焊层的显微硬度也随之增加 , 这是由于激光加热和冷却的速度极快的特点所决定的。在同一功率不同速度的显微硬度曲线如图 2 所示, 当 Vs 增加时 , Pw减小 ,堆焊层的硬度降低 ,单位体积所吸收的能量降低, 堆焊层的厚度减小。图 2 也明确验证了这一点, 这也说明本实验条件下能量密度起主导作用 。
显微组织结构分析
典型的不锈钢堆焊覆层的结构如图 3 所示,结合面较平坦, 在基体与堆焊层过渡区呈现出柱状和树枝状的晶体结构 ,具有代表性的显微组织如图 4 所示 。堆焊结晶过程的散热为堆焊熔池向空间的高温辐射和通过集体材料的热传导两个方面。因为堆焊熔池小 ,基体材料较大,基体对熔池的冷却速度非常快。因此晶体生长相当于定向凝固,导致堆焊层结晶时柱状晶很发达,同时在熔池表面因高温辐射而在外部形核生长出新的晶体。
堆焊层底部属于典型的平面外延生长组织 ,且枝晶组织粗大 ;而堆焊层顶部是较规则的树枝状共晶组织且枝晶细小于是就形成了柱状晶体与树枝状晶体交替出现, 有利于增加堆焊层的结合强度(如图 4)。当激光工艺参数不合适的时候易出现气孔 、夹杂物等缺陷 。
耐磨性
卧螺离心机叶片的失效分析表明 ,叶片失效主要是由于螺旋叶片在推动分离液沉渣固相颗粒时所造成的叶片磨损 。
为测定叶片堆焊层的耐磨性能 ,我们试制了尺寸为30 ×60 ×5mm 的试样 ,其磨损面堆焊 Ti 合金与同样基材、同样尺寸试样(不堆焊 Ti 合金)各两块安装于图 5 模拟试验机上 ,安装角度 15°, 轴转速为200r/min ,磨料为 1 .5 ~ 2 .2mm 的精洗石英砂 。由图 6 磨损试验曲线可以看出, 激光堆焊 Ti 合金比基材耐磨性约提高 5 倍。
耐蚀性
考虑到卧螺离心机的工作环境 ,过滤液对叶片表面的腐蚀较为严重 ,为测定激光堆焊层抗腐蚀性能 , 用0 .1当量浓度H2 SO4介质测定堆焊材料阳极极化曲线,如图 7 所示。堆焊层材料钝化电流和临界钝化电流密度均很小, 具有较宽的钝化区范围和较小的钝化区电流密度。表明该材料容易钝化 ,腐蚀速度小 ,在酸性介质时有较好的抗腐蚀性能 。