[發明專利]一種汽輪機鈦合金葉片的激光強化方法

有效

• 申請號: 201110265154.X
• 申請日: 2011-09-08
• 公開（公告）號: CN102312237A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 姚建華;樓程華
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學;杭州博華激光技術有限公司
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C23C28/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;俞慧

(一)技術領域

本發明屬于激光加工領域，具體涉及鈦合金表面強化方法，尤其是一種超高容量機組鈦合金葉片抗氣蝕部位的激光強化方法。?

(二)背景技術

鈦及鈦合金以其比強度高、中低溫穩定性好、耐腐蝕性能優異、生物相容性好等一系列優異的特性被廣泛用于航空航天、電力、化工及交通運輸等行業，尤其是在電力行業中。隨著汽輪機設計功率的不斷增大，大于1000mm以上長度的末級葉片已成為主流，葉片自重也隨之增加，導致葉輪輪緣離心力大幅度提高，甚至超過合金結構鋼葉輪的許可應力。因此，鋼制末級葉片的使用長度受到限制，而鈦合金剛好提供了這一需求的可能的解決方案。但是鈦及鈦合金硬度低、耐磨性能差、以及多相流侵蝕抗力低等缺點極大地限制了其在汽輪機領域的進一步應用。?

提高鈦合金葉片的硬度與抗氣蝕性能，中外學者均作了大量的研究，也有相應的文獻資料報導與專利發表。主要為激光氣體氮化、表面合金化、表面熔覆及耐高溫熱障涂層等。如文獻[H.C.Man，Z.D.Cui，T.M.Yue.Cavitation?erosion?behavior?of?laser?gas?nitrided?Ti?and?Ti6Al4V?alloy.Materials?Science?&?Engineering.A，Structural?Materials：Properties，Microstructure?and?Processing.Volume?355，Issues?1-2，25?August?2003，Pages?167-173]涉及的是樣品安裝在充滿氮氣的密室里，激光束透過密封玻璃窗戶對樣品進行掃描。原因是當氣體保護不充分時鈦合金極易氧化并劇烈燃燒。US4832993公開了下列技術方案：分二步噴灑釩粉，把釩粉緩慢加熱到熔點以上，再噴碳化鈦、氮化鈦粉末，并且把這些混合粉末加熱到熔點以上和釩的熔點以下之間；總之，工藝復雜且變形嚴重，氮化過程需要用封閉墻體或外設裝置嚴格保護。?

綜上，大容量機組的鈦合金葉片長度往往是1000mm以上，為防止鈦合金氧化與燃燒，如按現有文獻報導的方法，葉片需先裝入密封室內，再用大量的氣體清洗，以徹底排凈室內空氣，然后再激光處理。這種方法每張葉片均需重復此過程，效率低下，且極不經濟，生產中基本難以實現。?

(三)發明內容

本發明的目的是提供一種在大氣環境(不用密封室或外設裝置的氣體保護)下進行的汽輪機鈦合金葉片的激光強化方法，以解決在開放環境下激光處理時鈦合金葉片極易氧化與燃燒的難題，獲得耐氣蝕性能優異的汽輪機鈦合金葉片。?

為實現本發明的發明目的，本發明采用如下技術方案：?

一種汽輪機鈦合金葉片的激光強化方法，包括如下步驟：?

(1)對汽輪機鈦合金葉片表面進行常規預處理；?

(2)在汽輪機鈦合金葉片的待激光強化部位雙面鍍上5～10μm厚的金屬鎳鍍層，金屬鎳鍍層在長度和寬度上分別比待激光強化部位的尺寸多15mm以上；?

(3)利用送粉載體將合金粉末送至待激光強化部位，同時對待激光強化部位進行激光熔覆，最終在汽輪機鈦合金葉片表面獲得厚度為0.6～1.6mm的熔覆層。?

下面對上述技術方案做具體說明。?

本發明的鈦合金葉片材料為Ti6Al4V(TC4)，也可以是TC3，TC6等。?

本發明步驟(1)中，所述的常規預處理包括除油、除銹和表面活化，具體可采用如下方法：用常規的堿性溶液(例如Na₂CO₃、NaOH、Na₃PO₄、OP-10、十二烷基硫酸鈉)在40～60℃進行除油、除銹及表面活化。?

本發明步驟(2)中，金屬鎳鍍層厚度只要5～10μm即可，可以通過常規的化學鍍或電鍍方法制得，比如在常規的電鍍中只要10～20分鐘即可獲得符合要求的金屬鎳鍍層。金屬鎳鍍層尺寸在長、寬方向上應比待強化部位的尺寸多15毫米以上，并雙面均有鍍層，原因是激?光強化過程中，離光斑15毫米處的溫度已在200℃以下，此時鈦合金不存在氧化與燃燒的問題。?

本發明步驟(3)中，通過同步送粉方式進行激光熔覆，所述的送粉載氣優選為氫氣和氬氣的混合氣體，其中氫氣的體積含量為1～3％。送粉載氣中加入1～3％的氫氣起的作用是，熔池附近存在氧的情況下，氧先與氫反應，同時氫氣還可起還原金屬的作用；并且由于氫氣的含量低及與粉末合金金屬液的作用時間短，覆層與鈦合金的交界處不產生有害的氫化物TiH。?