【摘要】：作為修復(fù)與再制造領(lǐng)域最具優(yōu)勢的技術(shù)之一,激光熔覆修復(fù)技術(shù)利用高能激光束使熔覆材料與待修復(fù)基體形成致密的冶金結(jié)合,從而實現(xiàn)零件幾何尺寸的恢復(fù)及組織性能的改善與強(qiáng)化。本文以汽輪機(jī)末級葉片的損傷防護(hù)為背景,以17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼材料為研究對象,開展了激光同質(zhì)修復(fù)工藝技術(shù)研究。通過理論分析與實驗驗證得到最佳修復(fù)質(zhì)量的工藝參數(shù),對最佳工藝下得到的實際葉片修復(fù)層進(jìn)行性能檢測并與基體材料對比,評價激光熔覆修復(fù)質(zhì)量。進(jìn)一步采取固溶時效處理與WC顆粒激光合金化兩種方式改善和提高17-4PH的修復(fù)層的組織和性能,探究固溶時效溫度及WC含量對涂層組織性能的影響機(jī)制。研究表明,激光熔覆17-4PH最優(yōu)修復(fù)工藝參數(shù)組合為:激光功率1500W,掃描速度5mm/s,送粉速度14g/min,搭接率33%,分層厚度1mm。通過計算機(jī)輔助制造軟件LMDCAM2進(jìn)行模型分層與路徑規(guī)劃,選擇Unidirectional熔覆方式(“Z”字形熔覆)并通過層間反向掃描進(jìn)行補(bǔ)償,可實現(xiàn)受損葉片的無宏觀缺陷修復(fù)。修復(fù)層組織主要由大量板條馬氏體及少量殘余奧氏體組成。由于激光熔覆過程具有快速加熱與冷卻的特點,使得修復(fù)層的組織較為細(xì)密,平均顯微硬度值達(dá)到342.1HV_(0.5)高于基體材料的322.6HV_(0.5)。修復(fù)層的平均抗拉強(qiáng)度為963.35MPa,略高于基體材料,但塑性低于基材。修復(fù)層的耐磨性相比于基材提高25%且耐蝕性、抗水蝕性能均優(yōu)于基體材料,表明激光修復(fù)后的修復(fù)層基本滿足葉片的表面服役性能要求。對修復(fù)層進(jìn)行三種時效溫度下的固溶時效處理,研究表明:1040℃×1h固溶處理+480℃×4h時效處理后的組織主要由白色的淬火馬氏體和粗針狀的回火馬氏體組成。1040℃×1h固溶處理+550℃×4h時效處理和1040℃×1h固溶處理+620℃×4h時效處理后的組織均主要為保持馬氏體位向的索氏體組織。480℃時效處理后的修復(fù)層具有最高的硬度(平均硬度達(dá)到430.4HV_(0.5))和最優(yōu)的耐磨性(是未固溶時效處理修復(fù)層的1.56倍)。550℃時效處理后修復(fù)層擁有最好的耐蝕性,并且電化學(xué)極化曲線中的鈍化區(qū)最為明顯。480℃時效處理后的修復(fù)層具有最好的抗水蝕性能,三維形貌檢測及軟件計算表明480℃時效處理后修復(fù)層的抗水蝕性能可提高60%。加入30 wt%WC后,涂層的物相由大量的γ-Fe相及少量的α-Fe、M_7C_3相(M=Cr、Fe等元素)、W_2C相、WC相、Fe_3W_3C相組成。加入30wt%WC后涂層的平均硬度達(dá)到519.5HV_(0.5),約為基體材料(322.6 HV_(0.5))的1.6倍。激光熔覆17-4PH涂層的抗水蝕性能隨著加入WC含量的增加而逐漸提高。三維形貌測試結(jié)果表明加入30wt%WC后涂層的抗水蝕性能提升2.1倍。WC顆粒水蝕后顆粒內(nèi)部的層片狀結(jié)構(gòu)在水滴沖擊的較大應(yīng)力作用下出現(xiàn)一定程度地剝落并形成凹坑。彌散分布的WC顆粒能夠抑制切向水流對材料表面帶來的塑性變形,減小外部水蝕區(qū)域的破壞面積。
【圖文】：

圖 1.1 葉片疲勞斷裂形貌[6]圖 1.2 低壓末級葉片進(jìn)汽邊的裂紋分布[8]汽輪機(jī)末級葉片的疲勞斷裂按照斷裂性質(zhì)可以分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞指的是葉片在運(yùn)行過程中承受循環(huán)次數(shù)大于 103的較低應(yīng)力所發(fā)生的疲勞方式。低周疲勞指的是葉片在運(yùn)行過程中由于受到較大的激振力與較大的應(yīng)力在經(jīng)歷較低振動次數(shù)便發(fā)生疲勞斷裂的疲勞方式。這兩種疲勞方式的區(qū)別在于：塑性應(yīng)變量的不同。低周疲勞時塑性應(yīng)變占主導(dǎo)地位，也叫做應(yīng)變疲勞，而高周疲勞則是彈性應(yīng)變占主導(dǎo)地位。根據(jù)實際情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電廠汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的葉片斷裂現(xiàn)象大部分都是由于高周疲勞所引起的，這種情況在低壓轉(zhuǎn)子的末級、次末級葉片中表現(xiàn)的更為明顯。常見的P 型樅樹型葉根的末級葉片在設(shè)計時存在靜應(yīng)力過高的問題，使其固有頻率無法完全避開工作轉(zhuǎn)速下的共振響應(yīng)區(qū)域，使得在葉根與輪槽長期接觸磨損的位置極易產(chǎn)生疲勞裂紋。在葉片葉根的第一道齒形處，由于局部應(yīng)力集中會引起持續(xù)的損傷累積，在長期運(yùn)行的狀態(tài)下發(fā)生裂紋擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致葉片斷裂。

圖 1.1 葉片疲勞斷裂形貌[6]圖 1.2 低壓末級葉片進(jìn)汽邊的裂紋分布[8]汽輪機(jī)末級葉片的疲勞斷裂按照斷裂性質(zhì)可以分為高周疲勞和低周疲勞。高周疲勞指的是葉片在運(yùn)行過程中承受循環(huán)次數(shù)大于 103的較低應(yīng)力所發(fā)生的疲勞方式。低周疲勞指的是葉片在運(yùn)行過程中由于受到較大的激振力與較大的應(yīng)力在經(jīng)歷較低振動次數(shù)便發(fā)生疲勞斷裂的疲勞方式。這兩種疲勞方式的區(qū)別在于：塑性應(yīng)變量的不同。低周疲勞時塑性應(yīng)變占主導(dǎo)地位，也叫做應(yīng)變疲勞，而高周疲勞則是彈性應(yīng)變占主導(dǎo)地位。根據(jù)實際情況調(diào)研發(fā)現(xiàn)，電廠汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的葉片斷裂現(xiàn)象大部分都是由于高周疲勞所引起的，這種情況在低壓轉(zhuǎn)子的末級、次末級葉片中表現(xiàn)的更為明顯。常見的P 型樅樹型葉根的末級葉片在設(shè)計時存在靜應(yīng)力過高的問題，，使其固有頻率無法完全避開工作轉(zhuǎn)速下的共振響應(yīng)區(qū)域，使得在葉根與輪槽長期接觸磨損的位置極易產(chǎn)生疲勞裂紋。在葉片葉根的第一道齒形處，由于局部應(yīng)力集中會引起持續(xù)的損傷累積，在長期運(yùn)行的狀態(tài)下發(fā)生裂紋擴(kuò)展，并最終導(dǎo)致葉片斷裂。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG665;TK268

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2604470