基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法及装置与流程

本发明涉及一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的方法及装置，适用于钛合金叶片表面强化，以提高钛合金叶片进汽边的抗水蚀能力。

(二)

背景技术：

汽轮机是目前我国电力工业应用最广泛的动力设备，是代表国家装备制造业水平的标志性产品，叶片是汽轮机的核心部件之一。采用抗腐蚀性好、比强度高和中温性能好的钛合金代替不锈钢制造汽轮机末级长叶片是国内外汽轮机制造的发展趋势。在汽轮机末级叶片中水蚀现象普遍存在，这是由于末级叶片的工作环境为湿度在9％～14％的湿蒸汽介质中，并且在较高转速下工作时，气流中大量的水滴会在高速离心力作用下冲蚀叶片，造成叶片的点蚀，使叶片失效。水蚀问题的存在不仅降低了汽轮机的热效率，而且极易在水蚀区域造成应力集中萌生裂纹，如不及时加以防护，叶片水蚀损伤扩展可能会导致叶片的断裂失效，造成机组效率降低，严重的情况下甚至会出现安全事故。因此，汽轮机末级叶片的防水蚀研究既迫切又非常有意义。

激光表面处理技术作为一种新的局部处理的方法，体现出较为明显的优越性。在进汽边的局部位置用激光产生一层新合金的方法具有可实现自动化控制，可按不同要求调节合金成分以及不存在结合面剥离问题等特点，可以替代目前的钎焊司太立合金片、热喷涂、堆焊等表面处理技术。tin由于具有高熔点、高硬度、高温化学稳定性、高耐磨性及优良的导热性能，因此采用激光气体氮化技术在钛及钛合金表面制备氮化层可以有效改善钛合金的耐水蚀性能，但是由于氮化层与基体材料在物理性能方面存在一定的差别，在高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用下，防护层中易产生极大地热应力，并产生裂纹。同时，还存在表面粗糙度大，工件易变形等问题。

再者，目前现阶段对激光氮化涂层的加工都集中在使用脉冲激光机和半导体激光，使用这两种激光器对平整表面的钛合金零件的激光氮化很合适，但对一些外表形状不规则的钛合金零件的氮化就显得比较复杂，如对钛合金叶片的氮化必须要使用配套的运动控制系统，并且要得到均匀的氮化层，运动控制系统响应要很快、运动精度要高。

(三)

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的工艺方法，其主要特点如下：以激光为热源，扫描振镜控制激光的扫描路径以完成ar气氛下的熔凝处理和ar+n2气氛下的分区氮化处理，从而在钛合金叶片进气边背弧曲面上均匀制备防水蚀保护层，解决钛合金叶片水蚀问题；加工时，对叶片背弧曲面加工区域的分区规划，可以保证制备的防水蚀层与钛合金叶片进汽边背弧曲线相吻合；通过分区中激光路径的规划可以解决氮化过程中的应力集中问题，减少氮化层中裂纹的产生几率，提高制备涂层的质量；处理后的表面质量好，无需进行二次加工。

本发明还提供了一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的装置，扫描振镜快速准确地控制激光在钛合金叶片进汽边背弧的待加工表面运动，提高了加工的效率和精度，解决了叶片复杂表面的激光氮化，设备结构简单、成本低、效率高、成型精度高。同时，气氛装置可以在加工过程提供稳定的气氛保护和n2反应源，减少氧化现象的发生。

本发明的技术方案如下：

一种基于扫描振镜的激光氮化分区制备钛合金叶片防水蚀层的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)对钛合金叶片进汽边背弧上需加工的曲面建立曲面坐标系，所述曲面坐标系的建立方法为：以叶片背弧需加工的曲面的最小长方体包围盒中与曲面片外表面相对的底面为x-y基准平面，以该底面几何中心处的法线正方向为坐标系的z轴正方向；

所述钛合金叶片例如为tc4钛合金叶片；

(2)将钛合金叶片进汽边背弧上需加工的曲面划分成若干个长条分区，每个分区与曲面坐标系z轴近似垂直，并保证各长条分区的最大z坐标差值小于经扫描振镜输出激光的焦深；

优选所述长条分区的宽度为1～5mm；

(3)对钛合金叶片进行表面清理，旋转叶片，使得步骤(1)中所建立的曲面坐标系z轴正方向与机床z轴正方向相重合，再将需加工的曲面送入气氛保护装置内；

(4)调节扫描振镜的位置，使得聚焦透镜镜面中心法线与曲面坐标系z轴方向重合，并使得聚焦透镜镜面到曲面坐标系原点的距离为输出激光的焦距值和分区最大、最小z坐标的平均值的和值；

所述输出激光的焦距为298mm。

(5)向气氛保护装置通入ar气，当氧含量＜0.1％时，对步骤(2)划分的每个长条分区进行激光熔凝处理，进而完成整个曲面的激光熔凝前处理步骤；

所述激光熔凝处理的条件为：光斑大小0.46mm、激光功率500～1000w、扫描速度500～2000mm/s、扫描间距0.08～0.12mm；相邻分区的扫描线呈45°～135°夹角，且相邻分区的搭接率为0～30％；

所述激光熔凝处理可以提高处理区域表面原子在氮化过程中的扩散系数，从而促进后续氮化反应的进行；同时该处理也能对叶片进行预热，减小氮化过程中产生裂纹的机率；

(6)步骤(5)熔凝处理完成后，向气氛保护装置通入氮气与氩气的混合气体，对经过激光熔凝处理的区域进行激光氮化处理，其中单个长条分区内激光采用往复扫描方式的扫描线填充，并且激光氮化处理与激光熔凝处理的扫描方向相互垂直，激光氮化处理完成后，即制得钛合金叶片防水蚀层；

所述氮气与氩气的混合气体中，氮气与氩气的流量比为0.5～1：1，混合气体的总流量为20～30l/min；

所述激光氮化处理的条件为：光斑大小0.46mm、激光功率500～3000w、扫描速度200～1000mm/s、扫描间距0.06～0.08mm；相邻分区的扫描线呈45°～135°夹角，且相邻分区的搭接率为0～30％；

所述单个长条分区内激光采用往复扫描方式的扫描线填充，能够增加加工过程中熔池的维持能力，提高氮化层的质量；所述激光氮化处理与激光熔凝处理的扫描方向相互垂直，相邻分区的扫描线同样呈一定夹角，能够有效降低涂层的残余应力值，改善涂层的残余应力分布，从而避免氮化层中裂纹的产生。

本发明还提供了一种适用于本发明所述方法的装置，所述装置包括：激光器、扫描振镜、气氛保护装置和三轴数控机床；所述激光器与扫描振镜连接，所述扫描振镜被固定安装在三轴数控机床上，以调节扫描振镜的位置和焦距；所述气氛保护装置主要由壳体、光学镜片、法兰盘、快速接头、氧/氮分析仪组成，所述法兰盘通过螺栓固定于壳体上表面，所述光学镜片设于法兰盘内，所述快速接头设于壳体一侧并指向壳体内加工区域，所述氧/氮分析仪与壳体连接用于监测壳体内气体组成比例。

进一步，所述激光器为光纤激光器。

进一步，所述装置还包括控制器，所述控制器用于控制扫描振镜，从而控制激光光束的扫描路径，同时还可控制激光器的功率调节。

进一步，所述光学镜片的透光率为99％。

本发明相比现有技术的突出优点是：

(1)半导体和脉冲激光在氮化过程中激光束的运动全部依赖数控机床或机械手来完成，因利用此类激光器在钛合金叶片进气边背弧上的表面制备氮化层时，起床频繁启动和机床的抖动会影响成型涂层的表面质量。而采用本发明的技术方案，复杂曲面氮化加工主要依靠振镜控制激光高速扫描动作完成，机床只需负责定位振镜的中心位置，加工效率提高，同时也保证了加工中激光的稳定性，成型涂层的精度提高。

(2)与传统激光气体氮化技术相比，本发明对钛合金叶片进汽边背弧需加工的复杂曲面建立坐标系并沿背弧曲线划分分区，同时利用振镜控制激光的路径对各个分区分别处理，可以实现整个曲面均匀氮化，避免了对于曲面氮化时所制备涂层的不均匀性问题。再者，规划特定的扫描策略去避免氮化过程中应力集中的问题，可以减少氮化层中裂纹的产生几率，提高成型氮化层的成型质量。

(3)气氛保护装置下的氮化相比于传统激光气体氮化技术中直接喷吹ar+n2混合气体到加工表面，可以增加加工时熔池的稳定性，提高成型防水蚀层的表面质量，因此处理后无需在进行二次加工。同时，半密封的环境下氮化加工可以有效控制氧化现象的发生。

(四)附图说明

图1为本发明分区扫描氮化策略示意图；

图2为本发明基于扫描振镜的激光氮化分区制备防水蚀层的装置示意图；

1-扫描振镜，2-法兰盘，3-氧/氮分析仪，4-螺栓，5-光学镜片，6-垫圈，7-壳体，8-快速接头，9-三维机床，10-激光器。

(五)具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

(1)分区规划：本发明实施例为钛合金(tc4)叶片，对钛合金叶片进气边背弧需加工的曲面划分成若干个分区，每个分区与曲面坐标系z轴近似垂直，保证各分区的最大z坐标差值小于经扫描振镜输出激光的焦深。激光焦距为298mm，选择分区搭接10％，相邻分区夹角为90°。

(2)清洗处理：整个叶片经乙醇清洗后烘干，烘干处理后将叶片需要加工的部分送入气氛保护装置中保证需加工曲面的曲面坐标系z轴正方向与机床z轴正方向相重合，

(3)熔凝处理：移动机床，将扫描振镜定位到加工区域，使得聚焦透镜镜面中心法线与曲面坐标系z轴方向重合，并使得聚焦透镜镜面到曲面坐标系原点的距离为输出激光的焦距值和分区最大、最小z坐标的平均值的和值。通入ar气，观察氧氮分析仪上的示数，当氧含量下降到0.1％时，对钛合金叶片进汽边背弧进行熔凝预处理。对每个分区进行熔凝处理加工，从而完成整个需加工曲面的熔凝处理。熔凝处理时激光工艺参数为：光斑尺寸中0.46mm，功率500w，扫描速度500mm/s，氩气流量为30l/min。

(4)氮化处理：通入n2+ar气，观察氧/氮分析仪上的数值。当氮气含量达到预定值时，对经过熔凝处理后的区域进行氮化。其中单个分区内激光采用往复扫描，同时保证氮化时与熔凝时的扫描方向相互垂直，相邻两分区的扫描线呈90°夹角。氮化处理时激光工艺参数为：光斑尺寸中0.46mm，功率1000w，扫描速度500mm/s，气体总流量为30l/min，氮气与氩气的流量比为1:1。获得1号试样。

防水蚀保护层与钛合金叶片背弧曲线吻合，涂层表面质量良好，无裂纹气孔，表面硬度较基体提高3倍，同时硬度提高60hv的深度达1.2-1.5mm。

实施例2

分区规划、清洗处理、熔凝处理、氮化处理步骤如同实施例1。选择分区搭接10％，分区夹角为90°。熔凝处理时激光工艺参数为：光斑尺寸中0.46mm，功率1000w，扫描速度1000mm/s，氩气流量为30l/min。氮化处理时激光工艺参数为：光斑尺寸中0.46mm，功率3000w，扫描速度1000mm/s，气体总流量为30l/min，氮气与氩气的流量比为0.5:1。获得2号试样。

防水蚀保护层与钛合金叶片背弧曲线吻合，涂层表面质量良好，无裂纹气孔，表面硬度较基体提高提高2.5倍，同时硬度提高60hv的深度达1.4-1.7mm。

实施例3

分区规划、清洗处理、氮化处理步骤如同实施例1，无熔凝处理。选择分区搭接0％，分区夹角为45°。氮化处理时激光工艺参数为：光斑尺寸中0.46mm，功率1000w，扫描速度500mm/s，气体总流量为30l/min，氮气与氩气的流量比为1:1。获得3号试样。

防水蚀保护层与钛合金叶片背弧曲线吻合，涂层表面质量良好，无裂纹气孔，表面硬度较基体提高2倍，同时硬度提高60hv的深度达0.7-1mm。

本发明通过分区规划可以获得与钛合金叶片进气边背弧曲线吻合的防水蚀层，有效控制涂层应力分布，提高成型质量。本发明所得到防水蚀保护层分为氮化物层、氮扩散层、熔凝层和热影响区。防水蚀保护层与钛合金叶片曲线吻合，涂层无气孔、裂纹等缺陷，表面质量良好。经过显微硬度仪检测，处理后得到的防水蚀层的表面硬度最高，较基体提高3倍。熔凝区的硬度其次，硬度提高60～90hv，热影响区的硬度也较基体有所提高。同时也可见本发明将激光熔凝作为前处理可以有效提高防水蚀层表面硬度以及硬度提高深度。

经过水蚀试验得出，本发明所制备的防水蚀层具有良好的抗水蚀作用，处理后的工件能较未处理的提高约4-8倍。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。